Motivation - Einführung in den Bereich der Atmosphärenforschung

Die Atmosphäre und damit das Klima der Erde wird durch interne Prozesse und externe Einwirkung, z.B. die Strahlung der Sonne, beeinflusst. Diese Strahlung wirkt auf ihrem Weg durch die fünf Atmosphärenschichten (Exosphäre, Thermosphäre, Mesosphäre, Stratosphäre, Troposphäre) auf die Erde ein.

Die involvierten physikalischen Prozesse sind nur ungenügend verstanden. Zu deren Identifikation sind präzise Messungen von beispielsweise Temperatur-, Dichte- und Windprofilen in diesem Höhenbereich erforderlich.

Besonders interessant ist dabei der Bereich der mittleren Atmosphäre (Mesosphäre und untere Thermosphäre - MuT) von 50 bis 100 km Höhe.

Aus indirekten Messungen in mittleren Breiten ist bekannt, dass sich die Temperatur in der MuT zum Teil drastisch verringert hat, und zwar um bis zu 16 Grad in den letzten 40 Jahren. Die Vermutung liegt nahe, dass diese Temperaturabnahme eng mit dem Anstieg der Treibhausgase, wie Kohlendioxid und Methan, zusammenhängt.

Während in der erdnahen Troposphäre bodengestützte Messverfahren dominieren, wird die Stratosphäre überwiegend von Radiosonden erforscht. Diese werden durch Wetterballons in bis zu 35 km Höhe getragen und senden im Laufe ihres Flugs die relevanten Daten (z.B. Temperatur, Luftdichte und Luftfeuchtigkeit) zur Bodenstation.

Messungen in der Mesosphäre und der Thermosphäre werden mit Hilfe von Höhenforschungsraketen durchgeführt. Für direkte Messungen wird die Messeinrichtung bisher fest in die Rakete integriert. Die in die Rakete integrierte Telemetrie überträgt die Messergebnisse im Flugverlauf zur Bodenstation.

Indirekte Messungen der Dichte in großen Höhen werden derzeit beispielsweise durch den Einsatz von LIDAR (Light Detection and Ranging) oder durch Satelliten vorgenommen. Beim LIDAR werden die zurückgestreuten Photonen der LaserpuIse registriert, aus der Laufzeit wird die Entfernung ermittelt, aus der Anzahl der rückgestreuten Photonen die Dichte und aus der Verbreiterung des Pulses die Temperatur. Allerdings ist nur ein kleiner Teil der MuT durch diese Methoden mit der erforderlichen Höhenauflösung erfassbar.

Durch direkte Messungen ist derzeit bereits die Erstellung von Dichteprofilen möglich. Die Besonderheiten der Luftströmungen beim Raketenaufstieg verlangen allerdings, dass der Dichtesensor zentral in der Nutzlastspitze angebracht wird. Da jedoch nahezu alle mitgeführten Sensoren nur an dieser Stelle unverfälschte Messergebnisse erzielen können, steht diese Position nur selten zur Verfügung. Zudem ist die vertikale Auflösung des realisierbaren Dichteprofils aufgrund der hohen Aufstiegs- bzw. Fallgeschwindigkeit entsprechend grob.