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Karl Urban April 28th, 2009

Eine schmale Landbrücke von 900 Meter verband die Antarktis anfang April noch mit Charcot Island (Raumfahrer.net berichtete). Nach dem Zusammenbruch beginnt der nördliche Teil des rund 14.000 Quadratkilometer großen Eisschelfs nun Eisberge ins Südpolarmeer abzugeben. Nach der Ansicht zweier deutscher Wissenschaftler bedeutet dies die sich fortsetzende Destabilisierung des meergebundenen Gletschers.

Am 5. April beobachtete Envisat diesen Kollaps, woraufhin sich rund 330 Quadratkilometer Eis zu entfernen begannen. Die bereits zuvor beobachteten Störungszonen in der Eisfläche begannen sich daraufhin noch zu vergrößern. Am 24. April startete schließlich der Kollaps des nördlichen Schelfs. Etwa 770 Quadratkilometer schwimmen nun als Eisberge in Richtung Ozean. Im Gegensatz zur unter enormem tektonischen Stress stehenden Eisbrücke wird erwartet, dass die aktuelle Abgabe von Eisblöcken mehrere Wochen andauern wird.

“Der Rückzug des Wilkins-Eisschelfs ist der größte dieser Art, der bisher beobachtet wurde. Damit zeigen bereits acht vergleichbare Schelfe entlang der antarktischen Küste ein ähnliches Verhalten. Der Rückzug war überall in den letzten Jahrzehnten zu beobachten. Es gibt kaum Zweifel daran, dass diese Veränderungen mit der Erwärmung der antarktischen Halbinsel zusammenhängen. Hier wurden die höchsten Erwärmungsraten in der gesamten südlichen Hemisphäre gemessen”, erklärte David Vaughan vom Britisch Antarctic Survey. Die antarktische Halbinsel ist der einzige Teil des südlichen Kontinents, für den bisher einwandfrei eine Erwärmung festgestellt werden konnte. Der Großteil der Antarktis dürfte aufgrund ihrer isolierten Lage nur sehr träge auf Klimaschwankungen reagieren.

“Die Veränderungen von Wilkins stellen für uns ein wunderbares natürliches Labor dar, das uns dabei hilft zu verstehen, wie Eisschelfe auf den Klimawandel reagieren. Damit ist eng die Frage verbunden, wie die Zukunft der gesamten Antarktis aussieht”, so Vaughan. “Die Qualität und Frequenz der Aufnahmen von ESA-Satelliten erlaubt es uns, deutlich genauer zu analysieren, wie die Destabilisierung vonstatten geht.”

Der Umweltsatellit der ESA verfolgt die Entwicklung in der Antarktis mit täglichen Aufnahmen, die auch via Webcam abrufbar sind.

Tags: Antarktis, Envisat, ESA, Wilkins-Eisschelf

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Karl Urban April 26th, 2009

Das nach dem Uranusentdecker Wilhelm Friedrich Herschel benannte Teleskop ist mit 3.900 kg das Schwergewicht des Starts und besitzt mit 3,5 Metern Durchmesser die größte jemals ins All gestartete Teleskopschüssel. Um leuchtschwache Infrarotobjekte präzise aufnehmen zu können, darf Herschels Arbeit nicht durch Störsignale anderer Himmelskörper oder gar von sich selbst beeinflusst werden. Die Messinstrumente, die im Ferninfrarot sowie im Submillimeter-Bereich arbeiten, werden von superfluidem Helium auf bis zu -272,85 °C oder 0,3 K heruntergekühlt. Dafür sind die drei Spektrometer in einer großen Thermosflasche – dem Cryostaten – untergebracht. Rund 2.400 Liter flüssiges Helium werden seine Missionsdauer auf rund vier Jahre begrenzen. Ist das Kühlmittel verbraucht, sind keine exakten Messungen mehr möglich. Bis dahin wird das ESA-Teleskop die Arbeit seines US-Kollegen Spitzer und in einem deutlich breiteren Frequenzspektrum fortsetzen. Das Infrarot-Teleskop der NASA startete bereits 2003 und wird sein Kühlmittel in Kürze aufgebraucht haben.

Gelingt der ESA die Abschirmung, wird Herschel Einblicke in Raumregionen erhalten, die bisher durch dichte Staubwolken verhüllt waren. Infrarotstrahlung kann diese anders als sichtbares Licht durchdringen und ermöglicht es dem Teleskop, etwa die Entwicklung von Galaxien im jungen Universum zu untersuchen. Auch zukünftige Sonnensysteme sind von dichten Staubscheiben umgeben, aus denen sich später Planeten entwickeln können. Die Details dieser Prozesse waren bisher nur schwer zu beobachten. Herschel soll zudem die Molekülchemie von Planeten, Asteroiden und von weiter entfernten Objekten analysieren.

Die Schwerlastvariante ECA der Ariane-Trägerrakete wird die gemeinsam 5.300 kg schwere Doppelnutzlast nahe dem Lagrange 2-Punkt (L2) aussetzen. Hier gleichen sich die Schwerkraft von Sonne und Erde aus und beide Körper stehen ständig an derselben Stelle. Obwohl dies für die thermische Abschirmung der beiden Teleskope von Vorteil ist, haben die Orbits um den L2-Punkt den entscheidenden Nachteil der Bahninstabilität, so dass alle drei Wochen eine Kurskorrektur notwendig wird.

Nachdem die Ariane-Oberstufe Herschel in einen Transferorbit abgesetzt hat, kommt wenig später Planck an die Reihe. Die Aufgabe des Observatoriums besteht in der genauen Vermessung der CMB: Als das Universum 380.000 Jahre nach dem Urknall durchsichtig wurde, hatte es eine Temperatur von rund 3.000 K. Durch seine Expansion vergrößerte sich die Wellenlänge des Strahlungshintergrunds und die Temperatur des Universums sank auf den heutigen Wert von 2,7 K. Die Hintergrundstrahlung ist von Objekten unabhängig und verteilt sich relativ gleichförmig über die gesamte Himmelskugel.

Plancks Vorgängermissionen COBE (1989 – 93) und WMAP (Start 2001) der NASA hatten erstmals Karten des CMB erstellt und damit die Urknallhypothese untermauert. Planck wird die Auflösungsfähigkeit von COBE um den Faktor 50 sowie die von WMAP um den Faktor drei übertreffen. Das Observatorium wird Temperaturen von einem Millionstel Kelvin sowie Strukturen im Bereich von fünf Bogenminuten auflösen können. Laut ESA entspricht dies der erdgebundenen Messung der Wärmeabstrahlung eines lebendigen Hasen auf der Mondoberfläche.

Während das High Frequency Instrument (HFI) im Radiowellenbereich arbeitet, wird das Low Frequency Instrument (LFI) Mikrowellenstrahlung detektieren. Beide Bereiche gehören zum kosmischen Strahlungshintergrund. Das Problem seiner exakten Vermessung sind die effektive Abschirmung und Kühlung der sensiblen Detektoren. Bereits durch seinen Aufbau ist Planck passiv gekühlt: Die Abwärme der Instrumentensektion wird durch Radiatoren ins All abgeführt, so dass sich die Temperatur bei rund 50 K halten kann. Die Instrumente werden von den beheizten Komponenten des Servicemoduls abgeschirmt, das Systeme zur Datenverarbeitung, Kommunikation und Steuerung der Instrumente enthält.

Zwei weitere Kryosysteme kühlen HFI und LFI weiter herunter: mit flüssigem Wasserstoff auf 20 K, während die Strecke zwischen Teleskop und Wärme messenden Bolometern des HFI mit flüssigem Helium auf 4 K gebracht wird, dem Siedepunkt von Helium. Der technologische Gral sitzt jedoch im dritten Kühlkreislauf: Damit werden Thermometer, Bolometer und Filter auf Temperaturen zwischen 1,6 und 0,1 K gebracht. Das System setzt auf die Lösung des Helium-Isotops ³He in ⁴He, die in superfluidem Zustand vorliegen. In diesem Zustand unter extrem niedrigen Temperaturen und hohem Druck wirken keine internen Reibungskräfte mehr und Lösungsvorgänge können auch in Schwerelosigkeit funktionieren.

Mit Planck sollen fundamentale Probleme der Kosmologie beleuchtet werden: Wie ist es um die Expansion des Universums bestellt, beschleunigt sie sich tatsächlich? Eng damit verbunden ist die Frage der Baryonendichte, also dem Anteil der atomaren Materie im gesamten Universum verglichen mit der kaum verstandenen Dunklen Materie und Dunklen Energie. Die Modelle zur Entwicklung des jungen Universums sind bisher nur ansatzweise durch Beobachtungen nachgewiesen worden, weil ausreichend genaue Beobachtungsdaten fehlten. In der sogenannten Inflationsphase machte es laut dem theoretischen Physiker Alan Guth eine extrem schnelle Ausdehnung mit, womit die heutige Flachheit des Raums erklärt werden kann. Die hohe Energiedichte hätte nach Modellrechnungen sonst einen deutlich stärker gekrümmten Raum hervorgerufen, als wir ihn heute beobachten. Sollte es jedoch Inkonsistenzen im Theoriengebäude der Kosmologen geben, könnte Planck diese aufdecken. Dazu gehören vorhergesagte topologische Defekte wie kosmische Strings. Die Existenz dieser extrem dünnen und über viele Lichtjahre ausgedehnten massereichen Bänder könnten nach dem heutigen Urknallmodell entstanden sein, wurden bisher aber nicht gefunden.

Wilhelm Friedrich Herschel und Max Planck sind die Namen großer Forscher, die das Wissen ihrer Zeit fundamental erweiterten und veränderten. Die ESA-Missionen werden dem Ruf ihrer Namensgeber durch technologische Quantensprünge gerecht und werden vielleicht schon bald unser physikalisches Weltbild zu verändern.
Technische Daten

Tags: CMB, COBE, Dunkle Energie, Dunkle Materie, ESA, Expansion, Guth, Herschel, Infrarot, Kühlung, Lagrange, Mikrowellen, Planck, WMAP

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Karl Urban April 11th, 2009

Bild A zeigt Rußpartikel (Pfeile), die sich an Sulfatblasen geheftet haben. Bild B zeigt den Ruß im Detail, Bild C Flugasche, ein Produkt der Kohleverbrennung (Peter Buseck, Arizona State University)

Aerosole sind feinste feste und flüssige Partikel, die aus menschengemachten und natürlichen Quellen in die Atmosphäre gelangen. Dort haben sie auf den ersten Blick einen kühlenden Einfluss auf das Klima. Denn sie verhindern, dass Sonnenlicht direkt auf den Boden fällt und ihn erwärmt. Die Aerosole reflektieren einen Teil der Strahlung und werfen ihn direkt zurück ins All, die Albedo der Atmosphäre steigt.

Zu den Aerosolen gehören vulkanische Asche, aufgewirbeltes Meersalz, Pollen oder Pilzsporen. Ein Großteil der heute in der Atmosphäre befindlichen Teilchen sind jedoch anthropogen. Der Mensch gibt vor allem Sulfate und Rußpartikel in die Atmosphäre ab.

Drew Shindell vom NASA Goddard Institute for Space Studies in New York untersuchte in einer Studie die Rolle anthropogener Sulfat- und Ruß-Aerosole mit Hilfe eines Computermodells. Das System Atmosphäre-Ozeane wurde analysiert, um die Einflüsse von steigenden CO₂- und Aerosolemissionen, sowie den Abbau der Ozonschicht, auf sensible Klimazonen in den letzten drei Jahrzehnten zu untersuchen.

Seit der beginnenden Erwärmung der Arktis im Jahr 1976 wurden in Europa und Nordamerika – den industrialisierten Anrainern der Arktisregion – Gesetze zur Verringerung der Sulfatkonzentration aus Fabriken und Kraftwerken erlassen. Sulfat entsteht überwiegend bei der ungefilterten Verbrennung von Kohle und Öl. Die Emissionen sanken um 50 Prozent. Dieser Trend wurde jedoch durch die Industrialisierung Asiens ausgeglichen. Zeitgleich nahm die Luftkonzentration von Rußpartikeln weltweit zu. Diese entstehen beispielsweise bei der Verbrennung von Diesel. Die dunklen Partikeln absorbieren im Unterschied zu Sulfaten das Sonnenlicht und tragen zur Erwärmung der Atmosphäre bei.

Aerosole erwärmen (noch) am stärksten

Die asymmetrische Temperaturkurve der Arktis deutet auf die Rolle von Aerosolen in der nördlichen Hemisphäre hin. (Drew Shindell, Goddard Institute for Space Studies)

In ihrem Modell berücksichtigte das Team um Drew Shindell die wichtigsten Einflussfaktoren auf das Klima, darunter Schwankungen der Sonnenaktivität, Vulkanausbrüche und die sich verändernden Treibhausgaskonzentrationen. Ihre Ergebnisse wurden mit realen Messdaten abgeglichen. Ihr Ergebnis: Aerosole hatten bisher den größten Einfluss auf die Klimaerwärmung.

Das Resultat klingt plausibel: Die Regionen mit den stärksten Reaktionen auf Aerosole sind deckungsgleich zu denen, die die stärkste Erwärmung seit 1976 aufweisen. In der Arktis hat sich die bodennahe Luft seitdem um 1,5 °C erwärmt. Die Antarktis zeigt dagegen mit +0,35 °C eine deutlich geringere Reaktion. Auch das macht Sinn, ist doch die Arktis den Erzeuerregionen von Aerosolen in der nördlichen Hemisphäre deutlich näher.

“Viele glauben, Aerosole spielten nur eine untergeordnete Rolle – das tun sie aber nicht”, sagt Shindell. “Aktuell sind die Auswirkungen von Aerosolen in mittleren Breiten der nördlichen Hemisphäre bis hinauf in die Arktis genauso hoch wie die der Treibhausgase.”

Diese Einsicht müsse auch in der politischen Agenda mit berücksichtigt werden.

“Wir werden der Klimaentwicklung in den kommenden Jahrzehnten kaum entgegen wirken können, wenn wir uns nur auf CO₂ konzentrieren”, so Shindell weiter. “Wenn wir wirklich verhindern wollen, dass die Arktis in wenigen Jahrzehnten im Sommer eisfrei ist, sollten wir ein deutlich größeres Augenmerk auf Aerosole und Ozon werfen.”

Ein großer Unterschied zwischen den Klimatreibern liegt in ihrer Residenz- und Wirkungszeit in der Atmosphäre. Da sich Aerosole nur wenige Tage bis Wochen in der Luft halten können, bevor sie wieder absinken, beeinflussen sie maßgeblich das Klima von heute und das der kommenden Dekaden. Dagegen haben Treibhausgase wie CO₂ einen längeren Atem, brauchen aber deutlich länger, bis sie ihre Wirkung entfalten. Sie werden das Klima kommender Jahrhunderte bestimmen.

Tags: Aerosole, Albedo, Arktis, Klimawandel, NASA

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Karl Urban April 8th, 2009

Künstlerische Ansicht einer extraterrestrischen Ursuppe (NASA/JPL-Caltech)

Seit die Chemiker Stanley Miller und Harold C. Urey im Jahr 1953 das Ursuppen-Experiment vorstellten, ist viel Zeit vergangen. Das Experiment bestand aus den vermuteten Bestandteilen der jungen Erde, denen Energie in Form von Blitzen zugesetzt wurde. – Und siehe da, die ersten lebenswichtigen organischen Moleküle entstanden. Auch wenn die Aussagekraft des Miller-Urey-Experiments heute umstritten ist: Kann man davon ausgehen, dass auch in anderen Sonnensystemen ähnliche chemische Grundvoraussetzungen für die Entstehung von Leben bestehen? Diese Frage hat kürzlich ein US-amerikanisches Forscherteam versucht, mit Hilfe des Spitzer-Weltraumteleskops der NASA zu klären.

Ihre Anfangsfrage lautete: Enthalten andere Sterne solche Moleküle, die man als präbiotisch bezeichnen kann?

“Um kalte Sterne hat sich die präbiotische Chemie vielleicht ganz anders entwickelt,” sagte Ilaria Pascucci, leitende Autorin der neuen Veröffentlichung von der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore. Die Studie erscheint am 10. April im Astrophysical Journal.

Die Forscher waren auf der Suche nach Cyanwasserstoff, der in protoplanetaren Scheiben vorkommt. Aus diesen Scheiben entstehen später Planeten und auf ihnen sammelt sich dann vielleicht eine Ursuppe, aus der Leben entstehen könnte. Cyanwasserstoff ist eine Komponente des Adenin, einem Hauptbestandteil der DNA und damit jeden Lebens auf der Erde.

“Es ist durchaus möglich, dass auch das Leben auf der Erde durch die Zufuhr solcher Moleküle aus dem Sonnensystem gestartet wurde”, sagte Pascucci.

Die Forscher untersuchten mit dem Infrarotspektrografen des Spitzer-Teleskops 44 protoplanetare Scheiben um sonnenähnliche und 17 um kühle Sterne. Sie haben alle ein Alter von etwa drei Millionen Jahren. In dieser Phase entstehen nach den heutigen Modellen die meisten Planeten.

Das Ergebnis der Studie lautet: Cyanwasserstoff wurde in 30 Prozent der Staubsteiben um sonnenähnliche gelbe Sterne gefunden. Der übrige Teil sowie die kühlen M-Typ-Zwergsterne und braunen Zwerge zeigten keine Spuren des Moleküls.

“Vielleicht ist ultraviolettes Licht dafür verantwortlich, dass bei gelben Sternen mehr Cyanwasserstoff produziert wird. Sie erzeugen größere Mengen dieser Strahlung”, sagte Pascucci.

Die Funde bergen Implikationen für andere kürzlich gefundene Exoplaneten um M-Typ-Sterne. Bisher wurden keine erdähnlichen Planeten in der habitablen Zone gefunden, in der flüssiges Wasser existieren kann. Wird eines Tages ein solcher Planet gefunden, könnte er auch Leben beherbergen? Diese Frage möchte Pascuccis Gruppe beantworten.

“Die Astronomen sind sich da nicht so sicher. M-Typ-Sterne neigen zu extremen magnetischen Ausbrüchen, was frisch entstandenes Leben in Bedrängnis bringen könnte. Mit den neuen Spitzer-Daten müssen sie ein weiteres Detail berücksichtigen: Diese Planeten haben vielleicht einen ernsthaften Mangel an Cyanwasserstoff. Dieses Molekül ist ein nicht unwichtiger Bestandteil von uns”, sagt Douglas Hudgins, Spitzer-Programmwissenschaftler am NASA-Hauptquartier in Washington D.C. “Die Frage lautet: Enthalten kühle Sternensysteme überhaupt die richtigen Zutaten für die Entstehung von Leben? Hieße die Antwort nein, wäre die Frage über Leben an kühlen M-Sternen ausgesprochen fragwürdig.”

Tags: Blausäure, Cyanwasserstoff, Leben, Miller, NASA, Typ-G-Sterne, Urey, Ursuppe

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Karl Urban April 7th, 2009

Der Pulsar regt nicht nur die ihn umgebende Gaswolke zum Leuchten an (blau), sondern verursacht wohl auch die Entstehung von Knoten im benachbarten Nebel (rot). (NASA/CXC/SAO/P.Slane, et al.)

Im Zentrum der neuen Chandra-Aufnahme steht der Pulsar PSR B1509-58. Pulsare sind Neutronensterne, die durch ihre extrem schnelle Rotationsbewegung Energie in Form von Magnetfeldern ins All abgeben. In diesen Feldern werden Teilchen angeregt, die dabei hochenergetische Röntgenstrahlung abgeben können. Das Chandra-Bild ist eine Falschfarbenaufnahme, in der schwachenergetische Röntgenstrahlen rot, mittlere grün und starke blau dargestellt werden.

Das Zusammenspiel von hoher Rotationsfrequenz und starken Magnetfeldern macht den Pulsar zu einem der kräftigsten Generatoren der Milchstraße. Er bewirkt einen ständigen Wind an Teilchen und Ionen. Bei der Bewegung der angeregten Elektronen durch den magnetisierten Nebel geben sie ihre Energie wieder ab und sorgen so für den geisterhaften Röntgennebel.

In den inneren Regionen zeigt ein dünner Kreis die Bereiche an, in denen der Wind besonders stark abgebremst wird. Von hier aus wird die Expansion des Nebels langsam vorangetrieben. Die Ausbreitung in fingerartigen Strukturen führt zur Ausbildung von Knoten in der benachbarten Gaswolke RCW 89. Die Temperaturverteilung in dieser Region lässt vermuten, dass der Pulsar wie ein trudelnder Kreisel präzidiert und dabei Energie in einem bestimmten Muster an RCW 89 abgibt.

Neutronensterne sind Überreste von massereichen Sternen, die ihr Leben in einer Supernova beendet haben (Raumfahrer.net berichtete kürzlich in einer zweiteiligen Artikelserie). Als PSR B1509-58 von der Größe eines ausgewachsenen Sterns auf seine heutigen 20 Kilometer Durchmesser zusammenschrumpfte, blieb sein Drehimpuls erhalten und führte zu den nun sieben Umdrehungen in der Sekunde. Das Magnetfeld des Pulsars wird auf das 15-billionenfache des Erdmagnetfelds geschätzt. Er ist nur rund 1.700 Jahre jung und 17.000 Lichtjahre von uns entfernt.

Bereits kürzlich widmete sich Chandra einem ähnlichen Objekt (Raumfahrer.net berichtete). Auch der Krebsnebel zeigt vergleichbare Eigenschaften, ist jedoch mit einem Durchmesser von nur 10 Lichtjahren 15 mal kleiner als der Nebel um PSR B1509-58.

Tags: Chandra, Krebsnebel, Nebel, Pulsar, Röntgenastronomie

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