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Marsforschung und die Jagd nach Gletschern [Update]

August 31st, 2009

Svalbard liegt mitten im Nordpolarmeer und ist rund 850 von der norwegischen Küste entfernt (Openstreetmap, CC BY-SA)

Svalbard liegt mitten im Nordpolarmeer und ist rund 850 von der norwegischen Küste entfernt (Openstreetmap, CC BY-SA)

Mit modernen Methoden gelingt es heute, ein immer detailliertes Bild davon zu erlangen, wie Atmosphäre, Biosphäre mit den Ozeanen und der Geosphäre zusammenspielen. Die Planetologie hat sich von einer rein deskriptiven zu einer quantitativen Wissenschaft gewandelt. Wir verstehen immer besser, wie dynamische Prozesse auf der Erde ineinander greifen – und beginnen damit, dieses Wissen auch auf andere Körper des Sonnensystems zu übertragen.

Juan Diego Rodriguez-Blanco ist Mitglied des AMASE 2009-Teams, der diesjährigen Arctic Mars Analog Svalbard Expedition auf der Inselgruppe Svalbard. Ihr Ziel ist es, in einer lebensfeindlichen Umwelt unter widrigen Umständen wissenschaftliche Forschung zu betreiben und so etwas für den optimalen Betrieb von menschgemachten Erkundern zulernen –  auf dem Mars und anderswo im Sonnensystem. Manchmal geht es aber auch um rein menschliche Unzulänglichkeiten.

„Das Jagen von Eisbergen gehört hier zu den lustigsten Aktivitäten: Natürlich machen wir das aus streng wissenschaftlichen Gründen. Wir suchen Eisberge, in denen noch Sedimente eingeschlossen sind. Immerhin sind wir mitten in der Arktis und völlig umgeben von massiven Eiskappen. Wir sehen täglich dutzende Eisberge wobei die meisten von ihnen bestehen nur aus Blaueis bestehen. Manchmal treffen wir aber auf Exemplare mit eingeschlossenen Sedimentschichten – und die sehen wir uns genauer an.“ Eisberge gehören zu den wichtigen Nährstofflieferanten mariner Hochseehabitate. Welche Zutaten sie zum Menü der Meeresbewohner beitragen, möchte sein Team herausfinden.

Blaues, schmutziges Eis

Blaueis entsteht, wenn frischer Schnee, der auf einen Gletscher fällt, durch die Auflast jüngerer Niederschläge allmählich zusammengedrückt wird. Dabei steigt der Druck an und das Eis bildet größere Kristalle aus, die neue physikalische Eigenschaften besitzen. Rote und gelbe Wellenlängen werden nun stärker absorbiert, wodurch das Eis für uns blau erscheint. Ein blauer Eisberg ist also ein Stück eines kalbenden Gletschers und entstand nicht aus kürzlich gefrorenem Meerwasser, wie viele andere Schollen im Nordpolarmeer. Damit ist er für Rodriguez-Blancos Gruppe interessant und wert, näher in Augenschein genommen zu werden.

Auf Gletschern landet nicht nur Schnee. Von den Hängen des Gletschertals rutschen Gerölllawinen hinab und verteilen ihre Fracht auf der vormals weißen Eisfläche. Im Sommer taut ein Teil der Oberfläche und legt ältere Sedimentlagen frei. So akkumuliert in regelmäßigen Abständen feinkörnige Gesteinsfracht im Gletschereis. Dort verbleiben sie vorerst, doch Eis ist immer in Bewegung. Eine durchschnittliche Gletscherzunge speit erst nach hunderten bis tausenden Jahren die Eispakete wieder aus, die einmal aus frischem Schnee entstanden. Endet der Gletscher im Meer – wie auf Svalbard, in Norwegen oder Alaska – driften die schmutzigen blauen Eisberge hinaus ins arktische Meer und geraten hier in die Hände von Juan Diego Rodriguez-Blanco.

„Die Aufgabe klingt einfach: Finde einen frisch gekalbten Eisberg, entscheide, ob es sicher ist, sich ihm zu nähern, nimm Proben, schmilz` das Eis und separiere so Sedimenlage für Sedimentlage. Zurück im Labor nutzen wir verschiedene Techniken wie Mikroskopie, Röntgendiffraktometrie oder Infrarotspektroskopie, je nach spezifischer Fragestellung an die vorkommenden Eisenminerale“, schreibt Rodriguez-Blanco.

Die schwimmenden Eisschollen sind gefährliche Gebilde. Abhängig von Größe und Form kann selbst der geringste Auflastdruck dazu führen, dass er sich plötzlich komplett umdreht. Da sich das AMASE-Team auf Schlauchbooten nähert, gilt die Gefährdung für die gesamte Besatzung. Da 90% der Masse eines Eisbergs unter Wasser liegt, ist es oft nicht leicht, seine Form und Masse zu bestimmen. „Erst wenn wir schmutziges blaues Eis sehen und uns sicher sind, dass keine Gefahr besteht, schicken wir eine Person, die vom Schlauchboot aus gesichert wird. Die muss mit ihrer Eisaxt schnell arbeiten, denn nach maximal fünf Minuten sollte sie zurückkehren“, so Juan Diego Rodriguez-Blanco.

Die gesammelten Proben werden zur weiteren Untersuchung ins Labor der Universität Leeds in England geschickt. Im Mittelpunkt der Forschung steht die Frage, in welchem Maße eisenreiche Sedimente zum Eisenbudget des arktischen Ozeans heute im Vergleich zur letzten Eiszeit beiträgt. Eisen ist ein wichtiges Spurenelement und limitierender Faktor für die Bioproduktion mariner Habitate.

Mars an Erde

Ein Grundproblem stellt die Natur von robotischer Missionen dar. Wie entscheidet ein Rover, welchen Stein er untersuchen soll? Fahrzeuge wie Spirit oder Opportunity können täglich hundert Meter zurücklegen. Aufnahmen ihrer Umgebung reisen ein bis zwei Stunden durchs Sonnensystem, bevor Wissenschaftler auf der Erde entscheiden können, welche Anweisungen sie zurückschicken. Ein Ziel von AMASE ist die Simulation solcher Situationen, um zukünftige Rovermissionen wie Exomars der ESA oder Sample Return-Missionen der NASA effizienter zu machen.

Svalbard eignet sich auch besonders gut für die Aufgabe, die spezielle Situation robotischer Planetenerkunder zu simulieren: Karge Hügel bilden eine lebensfeindliche Umgebung, die marsianischen Landschaften recht nahe kommt, mit einem Unterschied: Es ist wegen wild lebenden Eisbären immer gut ein Gewehr dabei zu haben.

Die Science Operation Work Group innerhalb des AMASE-Teams besteht aus zwei Teams. Während eine Gruppe im Feld unterwegs ist und Daten sammelt, befindet sich die andere Gruppe im Basislager, um dort wissenschaftliche Fragestellungen zu diskutieren und daraus Anweisungen abzuleiten. Die Möglichkeiten des Basisteams sind begrenzt, denn sie können nur auf Fotos der Feldgruppe zurückgreifen und dürfen nicht direkt mit ihren Kollegen sprechen. Die Kommunikation ist – wie zwischen Erde und Mars – auf elementare Handlungsanweisungen begrenzt, die mit einiger Verzögerung zugestellt werden.

Mehr Berichte von AMASE 2009 gibt es in deren Blog bei der Planetary Society.

Unterschätzte Klimatreiber: Aerosole

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)

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)

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.