Von Cape Caneverall startete der Wuppertaler Satellit Von Cape Caneverall startete der Wuppertaler Satellit Foto: Siegfried Jähne

Wuppertaler Satellit erforscht unser Klima

Der in Wuppertal entwickelte Satellit CRISTA erforscht(e) unser Klima - 1994 und 1997 sogar aus dem All.

Aus unserer August-Ausgabe. CRISTA (Cyogenen Infrarot-Spectrometer und Teleskop für die Atmosphäre) steht für das finanziell aufwendigste Forschungsprojekt in der über 43jährigen Geschichte der Bergischen Universität. Der Satellit CRISTA wurde zum Zwecke der Ozon- und Klimaforschung zweimal (1994 und 1997) mit dem Space Shuttle „Atlantis“ und später „Discovery“ in eine Erdumlaufbahn gebracht, um aus 300 km Höhe die Spurengasverteilung der mittleren und oberen Atmosphäre dreidimensional zu vermessen. CRISTA hat insgesamt 26 Mio. Euro gekostet und wurde überwiegend aus Bundesmitteln finanziert. Leiter des Forschungsprojektes war der gebürtige Wuppertaler Atmosphärenphysiker Dirk Offermann, der vor fast 40 Jahren als Professor an die Bergische Universität kam, nachdem er in Bonn Physik studiert hatte. Wir treffen den 2002 Emeritierten auf dem Campus der Bergischen Uni, wo er noch heute als jetzt 78-Jähriger im Gebäude „D“ ein kleines Büro unterhält, welches er liebevoll „Taubenschlag“ nennt.

Als Space Shuttle „Atlantis“ am 3. November 1994 ins All geschossen wurde, saß Dirk Offermann im Kontrollzentrum des Marshall Space Flight Centers der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA in Huntsville, Alabama. An diesem Ort hatte einst der deutsche Raketeningenieur Wernher von Braun gewirkt. Knapp 1100 Kilometer entfernt startete die Raumfähre in der Cape Canaveral Air Force Station, Florida, wo Offermanns „Co-Pilot“ Professor Klaus-Ulrich Großmann stationiert war. Am 12. November 1994 wurde CRISTA vom Space Shuttle Atlantis wieder eingefangen und in der Ladebucht verstaut. Die Landung erfolgte am 14. November 1994.

 

 

Mit „Atlantis“ und „Discovery“ im All

Im Gegensatz zu den Messungen bei CRISTA1 (November-Bedingungen) wurde bei CRISTA 2 der Zustand der Atmosphäre im August untersucht. Der Start war am 7. August 1997 vom Kennedy Space Center Florida mit dem Shuttle „Discovery“. Nach dem erfolgreichen Einfangen des CRISTA Satelliten landete das Space Shuttle am 19. August 1997 wieder in Florida. Beide Missionen erfolgten in einem Satelliten der früheren Deutschen Aerospace, heute Atrium. Der Satellit CRISTA ist inzwischen im Deutschen Museum in München aufgestellt worden. Seit Mitte Dezember 2004 ist er dort der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Zum 20-jährigen Jubiläum der Mission veröffentlichte ein russisches Wissenschaftsmagazin namens „ earth and universe“ einen Beitrag über das Projekt. Dies unterstreicht in besondere Weise die Bedeutung der Forschungsarbeit bis in die heutige Zeit hinein. Bisher gab es bereits mehr als 120 Beiträge in wissenschaftlichen Fachzeitschriften und zehn in populärwissenschaftlichen Periodikas. „Die Messungen von CRISTA sind bis heute unübertroffen“, konstatierte Offermann. Die Auswertung hatte Jahre gedauert, 150 Paper, also Aufsätze/Berichte, sind entstanden. Aber worin liegt die Bedeutung dieser Auswertung? Hat sie die Welt verändert? Offermann lacht: „Ich bin Physiker, kein Menschenretter. CRISTA hat der Wissenschaft kein einzelnes Hauptergebnis geliefert, sondern einen ganz großen Blumenstrauß, der für die weitere Forschung eine große Bedeutung hat. Dies sei auf die Kombination modernster Messtechniken zurückzuführen, die bis heute unerreicht sei. Die wichtigsten CRISTA-Ergebnisse liegen auf dem Gebiet der so genannten Atmosphärendynamik, die sich mit Windsystemen, Wellenbewegungen und Turbulenzen befasst. Alle genannten Phänomene führen zu Transporten von Luftmassen in der Atmosphäre, die nicht nur in Bodennähe sehr wichtig sind. Beispielsweise ist das Ozon in der mittleren Atmosphäre nicht dort am dichtesten, wo es erzeugt wird (über den Tropen), weil es nämlich von dort wegtransportiert wird.

 

Dirk Offermann

Geheimnis lag in der Kühlung

CRISTA-Daten lieferten in der Tat Spitzenergebnisse zu einem halben Dutzend Themen im Höhenbereich der Atmosphäre von unter 10 bis über 100 km. Das hatte bis dahin kein anderes Messgerät erreicht. CRISTA galt als „Satellit der Spurensuche“, dessen Stärke die Messung der Infrarotstrahlungen von mehr als 15 Spurengasen, also z.B. Ozon, CO2, FCKWs, Stickoxiden, Methan, etc. war. Als Infrarotstrahlung bezeichnet man in der Physik elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der längerwelligen Terahertzstrahlung (Submillimeterwellen). Hierzu wurden die Teleskope und Spektrometer notwendigerweise mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von minus 260 Grad Celsius gekühlt - ein Grund für die Überlegenheit von CRISTA!

Bis zum CRISTA-Einsatz waren Wissenschaftler von einer gleichmäßigen Verteilung der Ozondichte entlang eines Breitengrades ausgegangen. Tatsächlich variiert die Dichte: Über dem Äquator ist sie am größten, zu den Polen hin nimmt sie ab. Dabei gebe es keine Bänderstruktur, sondern „einen Flickenteppich“, so Offermann. Mehr noch: Wie im Ozean gibt es auch in der Atmosphäre Gezeiten, und zwar vor allem in der Mesosphäre (50 bis 100 km), die alle Verteilungen von Temperatur, Wind und Spurengasen bestimmen. Diese Wellen wurden erstmals von CRISTA mit höchster räumlicher Auflösung gemessen. In der mittleren Erdatmosphäre (20 bis 50 km) gibt es -wie an Meeresufern- Brandungszonen mit wichtigen Einflüssen auf die Spurengasverteilung, auch des Ozons. CRISTA hat erstmals eine Brandung auch in der oberen Atmosphäre (60 bis 90 km) nachgewiesen, detailliert untersucht und vor allem auch Transport- und Austauschprozesse innerhalb der Atmosphäre erstmals vollständig erfasst. Das Verständnis dieser Vorgänge soll Veränderungen in der Lufthülle erklären, die zum Ozonloch oder zum Treibhauseffekt führen können, auch mögliche Effekte außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts.

Nach dem Projekt CRISTA wollte sich Offermann eigentlich zurückziehen. Doch dann sei ihm ein neues Projekt eingefallen. Er beschäftigt sich nun mit langfristigen und selbsterregenden Wellen, quasi eine Fortsetzung seiner bisherigen Arbeit. „Es ist spannender als ein Krimi“ beschreibt Offermann seine Beobachtungen. „Selbsterregende Wellen“ sind danach Wellen, die völlig unabhängig, etwa den von Menschen verursachten Klimaeffekten, ausgelöst werden. Offermann: „Man kann das mit dem menschlichen Herzschlag oder der Lungenfunktion vergleichen“. Solche Wellen treten mit Einfluss auf unsere Atmosphäre in Zyklen von Jahren, Jahrzehnten oder sogar Jahrtausenden und Jahrmillionen auf. Man spekuliert darüber, welchen Einfluss diese auf unser Klima haben und denkt dabei etwa auch an die Eiszeiten, von denen es im Laufe der Erdgeschichte mindestens sechs gab, z. B. vor 600 und vor 300 Millionen Jahren.

 

Ozonloch und Klimaprobleme

Die aktuellen Arbeiten laufen in Institutsverbunden ab (mehere Wissenschaftler aus diesen Gruppen haben ihre Wissenschaftliche Laufbahn in Wuppertal begonnen) und haben zwei Schwerpunkte: Zum einen wurde für die Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich eine (verkleinerte) Nachbildung von CRISTA gebaut, die auf dem russischen Höhenforschungsflugzeug GEOPHYSIK im Rahmen des EU-Forschungsprogrammes SCOUT zum Einsatz kam. Hier kam es vor allem zu Messungen in den Tropen und im Tropopausenbereich (bis 20 km Höhe). Zum anderen betreiben die Wuppertaler Atmosphärenforscher bereits seit 1980 ein Infrarot-Gerät, das jede Nacht vom Boden aus die Atmosphärentemperatur in 87 km Höhe misst: das Spectrometer (GRIPS-Ground based Infrarot P-Band). Diese Messungen zeigen, dass sich in den vergangenen beiden Jahrzehnten in der mittleren Atmosphäre ein deutlicher Klimawandel vollzogen hat.

Die Wuppertaler Messungen, heute unter Leitung von Prof. Dr. Ralf Koppmann, wurden durch ein weiteres GRIPS-Gerät ergänzt, das im Observatorium Hohenpreißenberg des Deutschen Wetterdienstes aufgestellt ist. GRIPS 3, in Wuppertal gebaut, ist im Schneefernerhaus auf der Zugspitze in Betrieb. Von dem GRIPS-Messnetz werden weiter wichtige Informationen über Wellen in der Atmosphäre erwartet. Denn die Erdatmosphäre ist immer noch unzureichend verstanden. Beispiele wie das Ozonloch oder das Klimaproblem zeigen, dass sowohl Grundlagenforschung als auch angewandte Forschung dringend erforderlich sind. Seinem Sohn hat Offermann indessen auf Grundlage seiner Erfahrungen nicht empfohlen, im Weltraum, sondern stattdessen auf unserer Erde zu forschen. Offermann: „Es gibt auch hier noch sehr viel Spannendes, was nicht erklärt werden kann“.

Text: Siegfried Jähne

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