Frieren für die Wissenschaft

Deutsche Physiker auf Grönland

Zwei Jahre lang dauerten Entwicklung und Bau eines Mikrowellen-Radiometers, mit dem Bremer Physiker auf Grönland über einen möglichst langen Zeitraum beobachten wollen, wie sich die arktische Ozonschicht jahreszeitlich bedingt verändert. Zusätzlich sollen Spurengase untersucht werden, sagt Dr. Nicole Buschmann von der Universität Bremen. Für das EU-geförderte Projekt werden noch Sponsoren gesucht, die einen weiteren Betrieb der Messstation ermöglichen, sobald die Fördermittel aufgebraucht sind. Schließlich ergibt nur die langfristige Beobachtung der Atmosphäre einen wissenschaftlichen Sinn.

Hauptsächlich sind wir natürlich an der Ozonkonzentration in der Stratosphäre über den Polen interessiert. Gut, das haben natürlich viele andere Wissenschaftler auch schon gemacht. Es gibt mehrere Ozon-Messstationen in der Polarregion. Unser Gerät wird aber zusätzlich auch noch andere Spurengase messen, die eben über chemische Reaktion auch an dem Ozonzyklus mit seinen jahreszeitlichen Schwankungen beteiligt ist.

Dr. Nicole Buschmann

Die Messdaten dienen später nicht nur als Referenz für satellitengestützte Atmosphärenbeobachter wie dem Envisat, sondern auch der Verfeinerung bestehender Modelle, mit denen die Auswirkungen der Luftverschmutzung auf die Ozonschicht vorhergesagt werden können. Der Physiker Axel Kleindienst ist seit ein paar Wochen auf Grönland und kalibriert seine Geräte.

Das Mikrowellenradiometer funktioniert grundsätzlich so, dass die Emissionen der Spurengase, der Moleküle aus der oberen Atmosphäre empfangen werden. Es handelt sich dabei um thermische Strahlung, die einfach aufgrund der Temperatur, die dort herrscht, ausgesandt wird. Und diese Strahlung wird dann von uns am Boden mithilfe unseres Radiometers empfangen.

Ozonmoleküle erzeugen bei Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunkts schwache Mikrowellenstrahlung, denn innerhalb eines Ozonmoleküls sind die elektrischen Ladungen ungleichmäßig verteilt. Rotierende Ozonmoleküle machen sich deshalb durch periodisch wiederkehrende Schwankungen der Feldstärke bemerkbar. Das wesentliche Kriterium dafür ist, dass die Moleküle ein Dipolmoment haben, denn nur diese führen Rotationsschwingungen in dem Sinne aus, dass wir sie dann empfangen können.

Der Vorteil ist, dass wir bei Sonne und Mond, also tagezeitunabhängig messen können und als bodengebundenes Gerät permanent die Atmosphäre über einem Standort beobachten können.

Gemessen werden Frequenzen von 260 bis 280 Gigahertz. Die hohen Frequenzen dieser Mikrowellenstrahlung stellen besondere Anforderungen an den Empfänger, weil es dafür keine Verstärker mehr gibt. Die Bremer Physiker bauten sich deshalb einen hochempfindlichen Überlagerungsempfänger, in dem ein extrem rauscharmer Mischer auf Basis eines Supraleiters das schwache Empfangssignal auf eine Zwischenfrequenz von 8 GHz heruntersetzt. Die Signalstärke liefert in Verbindung mit dem Luftdruck den Wert für den Anteil des gemessenen Spurengases an der Luft über dem Radiometer. Nicole Buschmann:

Das Projekt ist gefördert von der Europäischen Union. Und innerhalb des fünften Rahmenprogramms dort sind Projekte grundsätzlich auf drei Jahre ausgelegt. Das heißt, wir haben jetzt zwei Jahre an diesem Messgerät gebaut und es entwickelt und Ziel unseres Projektes sind eigentlich langfristige Messungen.

Diese langfristigen Messungen müssen jedoch noch finanziert werden. An Bord der amerikanischen SUMMIT-Forschungsstation geht es zur Zeit rund, sagt Axel Kleindienst.

In Grönland sind wir zumindest in der Winterphase dann auch ganz auf uns alleine gestellt. Es gibt auch keine Transportflüge mehr, so dass man dort schon ein bisschen was mitnehmen muss, um auch autonom arbeiten zu können.