Die modernen Satelliten prägen den Kurs der Klimawissenschaft

Die Sowjetunion startete 1957 den Satelliten Sputnik 1 und platzierte damit das erste von Menschenhand geschaffene Objekt im Weltraum. Spulen wir bis 2022 vor, und wir bringen jetzt jedes Jahr mehr als tausend Satelliten ins All, verbessern unsere Wettervorhersagen, steigern unsere Internetabdeckung und treiben den Bereich der Erdwissenschaften auf neues Terrain. Und für Forscher, die die tiefgreifenden Veränderungen untersuchen, die unseren Planeten aufgrund der Klimakrise erfassen, bedeutet dies, dass sie das Problem mehr denn je im Auge behalten.

Die Idee, mithilfe von Satelliten eine neue Perspektive auf unseren Planeten zu gewinnen, begann mit dem Start von Sputnik 1, der Radiosignale aus dem Orbit aussendete, die Wissenschaftler nutzten, um neue Einblicke in die Ionosphäre zu gewinnen. In den folgenden Jahren und Jahrzehnten wurden Satelliten gestartet, um die Atmosphäre zu untersuchen, Wettermuster aus dem Weltraum zu verfolgen und die Landmassen und Meere des Planeten zu überwachen.

Mehr als ein halbes Jahrhundert satellitengestützter Erdbeobachtung hat es Wissenschaftlern ermöglicht, wichtige Marker für die Gesundheit des Planeten zu verfolgen. Dazu gehören die detaillierte Verfolgung von Vegetationsflächen, Bodenqualität, Temperaturverschiebungen in verschiedenen Regionen, Meeresspiegelanstieg und die Dicke von Eisschilden. Und da die Sensorausrüstung, die wir in den Weltraum bringen, schnell voranschreitet, sehen wir, dass die Erkenntnisse, die Wissenschaftler aus diesen Werkzeugen gewinnen können, immer präziser werden.

Wie „Tag und Nacht“

Im August machte ein Team von Glaziologen, die den grönländischen Eisschild untersuchten, eine auffallende Entdeckung. Die Wissenschaftler nutzten Daten von Satelliten, die monatliche Veränderungen im Gravitationsfeld der Erde verfolgen, um ein genaueres Verständnis der saisonalen Verschiebungen der Masse der Schicht zu erhalten und die bevorstehenden Auswirkungen auf den globalen Meeresspiegel zu verstehen, wenn sie schmilzt. Ihr Fazit? Dass die Platte bereits dazu bestimmt ist, bis zu 110 Billiarden Tonnen Eis abzuwerfen, selbst wenn wir heute aufhören würden, fossile Brennstoffe zu verbrennen. Dies reicht aus, um den durchschnittlichen globalen Meeresspiegel um fast einen Fuß (30 cm) in die Höhe zu treiben.

„Sicherlich hat sich die technische Technologie, die wir in den Weltraum bringen, in den letzten zwei Jahrzehnten enorm verbessert“, erklärte Will Colgan, Autor der Studie, gegenüber New Atlas. „Wenn Sie sich die Laserenergie und die Rückwellenform ansehen, die der ursprüngliche ICESat im Vergleich zum neuen ICESat-2 verwendete, ist es wie Tag und Nacht, ein 1990er Ford Festiva im Vergleich zu einem 2020er Tesla Model F. Aber auch das Bodensegment hat sich enorm verbessert. ICESat-2 sendet etwa 1 GB Daten pro Tag zurück. Mit dieser Datenmenge zu arbeiten, wäre für die meisten Anwender noch vor 10 Jahren undenkbar gewesen. Aber jetzt bedeuten die Fortschritte in der Hochleistungsrechnertechnik, dass viele Forscher mit diesen Daten auf sinnvolle Weise arbeiten können.“

Anfang dieses Jahres haben wir ein weiteres Beispiel für moderne Satellitendaten gesehen, die unser Verständnis des Klimawandels verändert haben. Es ist bekannt, dass sich die Arktis schneller erwärmt als der Rest des Planeten, aber eine im August veröffentlichte Studie zeigt, dass dieser Effekt stark unterschätzt wurde. Die Autoren stützten sich auf solide neue Satellitendaten von 1979 bis 2021, um diese Rate der sogenannten arktischen Verstärkung erneut zu untersuchen, und berechnet dass es sich viermal so stark erwärmt wie im globalen Durchschnitt.

Eine weitere kürzlich durchgeführte Studie untersuchte die Seensysteme des arktischen Tieflandes und verwendete moderne Satellitendaten, um Muster von Änderungen des Oberflächenwassers zu erkennen, die zeigten, dass sie bei a austrocknen stark beschleunigte Geschwindigkeit. Diese Erkenntnis wurde durch Fortschritte in der Rechenleistung zur Verarbeitung der Sensordaten ermöglicht, was laut den Autoren vor fünf oder zehn Jahren nicht möglich gewesen wäre. In letzter Zeit haben wir auch gesehen, wie Wissenschaftler diese Tools nutzen, um sie anzubieten ganzjährige Messungen des arktischen Meereises zum ersten Mal.

Mit mehr als 150 Satelliten beobachten derzeit die Erde aus dem Orbit und auf dem Weg dahin wird das Toolkit für Klimawissenschaftler immer vielseitiger. Werfen wir einen Blick auf einige Beispiele, die das Spiel wirklich verändern.

„Ich denke, dass diese drei Satellitensysteme zusammengenommen die Art und Weise, wie wir Klimaprozesse sehen, wirklich verändern“, sagte Colgan.

Wasserzähler im Weltall

Bereits im März 2002 startete die NASA ein Paar Raumfahrzeuge, die als Tandem arbeiten, um die Gravitationskräfte der Erde zu verfolgen. Diese GRACE-Mission (Gravity Recovery and Climate Experiments) war zwischen 2002 und 2017 in Betrieb, und die GRACE-Follow-On-Mission wurde 2018 gestartet, um ihre Arbeit fortzusetzen.

Dabei handelt es sich wiederum um zwei Raumsonden, die in einem Abstand von rund 220 km um die Erde kreisen. Mikrowellensignale werden ständig zwischen den Raumfahrzeugen hin- und hergeschickt, um den Abstand zwischen ihnen genau zu überwachen. Dieser Abstand verschiebt sich, wenn der führende Satellit gezogen wird, während er über Gebiete mit stärkerer Schwerkraft fliegt, und erneut, wenn der nachlaufende Satellit dasselbe Gebiet überfliegt. Durch die genaue Verfolgung der durch diese Gravitationskräfte verursachten Beschleunigungen können Wissenschaftler eine Karte des Gravitationsfeldes des Planeten erstellen.

Zum größten Teil wird dies verwendet, um zu messen, wie sich Wasser um den Planeten bewegt, und bietet wichtige Einblicke in Überschwemmungen, Dürren, die Nutzung von Grundwasserspeichern, den Anstieg des Meeresspiegels und den Eisverlust an den Polen. Daten von GRACE-FO waren der Schlüssel zu der oben erwähnten Studie über das Abschmelzen des grönländischen Eisschilds und haben es Wissenschaftlern auch ermöglicht, den Verlust der Eismasse in der Antarktis zum ersten Mal direkt zu messen, so Dr. Felix W. Landerer, Project der NASA Wissenschaftler für die Mission.

„Die Möglichkeit, diese Messungen durchzuführen, war ein großer Fortschritt für Forscher, die untersuchen, wie der Klimawandel den Anstieg des Meeresspiegels beeinflusst“, sagte er gegenüber New Atlas. „In den letzten 20 Jahren haben GRACE- und GRACE-FO-Missionen jeden Monat globale Veränderungen der Erdmasse überwacht. Dies hat weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis der Wasserverteilung auf unserem Planeten und wie sich diese im Laufe der Jahre verändert hat. Beide Satelliten sind im Wesentlichen „intelligente Wasserzähler“ im Weltraum, die monatliche Änderungen der Masse von Eisschilden und Gletschern, oberflächennahe und unterirdische Wasserspeicher, die Wassermenge in großen Seen und Flüssen sowie Änderungen messen auf Meereshöhe.“

Ein Überblick über das Problem

Wir wissen, dass Kohlendioxid in der Atmosphäre das Herzstück der Klimakrise ist, und Überwachungsstationen auf der Erde haben einen dramatischen Anstieg seiner Konzentration aufgrund menschlicher Aktivitäten dokumentiert. Die im Juli 2014 gestartete NASA-Mission OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory) wurde entwickelt, um genaue Messungen des Treibhausgases aus dem Weltraum zu sammeln. Dadurch erhalten Wissenschaftler eine globale Karte der CO2-Konzentration, die ihnen Aufschluss darüber gibt, wo die Werte zu verschiedenen Zeitpunkten am höchsten sind.

Dies fördert unser Verständnis darüber, wie atmosphärisches CO2 mit den vielen Kohlenstoffsenken der Welt wie Pflanzen, Böden und Ozeanen interagiert. Die Effizienz dieser Systeme bei der Kohlenstoffabsorption kann im Laufe der Zeit schwanken und durch den kontinuierlichen Aufbau von atmosphärischem CO2 beeinflusst werden, und OCO-2 bietet Wissenschaftlern ein leistungsstarkes Werkzeug zur Erforschung dieser Beziehungen.

„Während El Nino 2015-2016 – eines der stärksten El Nino-Ereignisse in der Geschichte – bestätigten OCO-2-Daten, dass der Pazifische Ozean eine frühe und wichtige Rolle bei der Mäßigung atmosphärischer Kohlendioxidkonzentrationen spielt“, sagte der wissenschaftliche Leiter der OCO-2-Mission , Junjie Liu, erzählte uns. „Die Forscher vermuteten, dass dies der Fall ist, hatten aber bis OCO-2 nicht genügend Messungen über einen ausreichenden Bereich, um dies zu bestätigen.“

Wissenschaftler gehen davon aus, dass OCO-2 eine wichtige Rolle bei Prognosen darüber spielen wird, wie sich atmosphärisches CO2 auf das Erdklima auswirken wird. Die vom Satelliten gesammelten hochauflösenden Messungen werden der Schlüssel zum Verständnis von Trends im Kohlenstoffkreislauf und seiner Beziehung zu Dingen wie Dürren und Hitzewellen sein. Wenn Wissenschaftler ein langfristiges Bild dieser Trends erstellen, können sie ein besseres Verständnis dafür entwickeln, wie die Dinge in der Zukunft aussehen könnten.

„Die Fortsetzung dieser achtjährigen Datenaufzeichnung wird den Forschern helfen, ein klareres Bild davon zu bekommen, wie der Kohlenstoffkreislauf der Erde auf den langfristigen Klimawandel reagieren wird, z. B. ob Kohlenstoffsenken an Land und im Ozean weiterhin überschüssiges atmosphärisches Kohlendioxid absorbieren werden.“ sagte Liu. „Klimaextreme wie Dürren und extreme Hitze spielen eine überragende Rolle dabei, wie der Kohlenstoffkreislauf von Jahr zu Jahr auf Klimaveränderungen reagiert. Aber es ist unklar, an welchem ​​Punkt all diese Wechselwirkungen die Waage in die andere Richtung kippen und Gebiete, die derzeit Kohlendioxid aufnehmen, damit beginnen, das Treibhausgas wieder in die Atmosphäre freizusetzen.“

Laser und Eis

Im Jahr 2018 startete die NASA eine neue Mission zur Verfolgung schmelzender Eisschilde und Gletscher mit dem fortschrittlichsten Laser-Höhenmesser, den sie jemals ins All geschickt hat. Das Instrument, das an Bord des jetzt umlaufenden ICESat-2-Satelliten verpackt ist, schießt jede Sekunde Billionen von Photonen auf die Erdoberfläche und misst, wie lange einige brauchen, um zum Raumschiff zurückzukehren, bis auf eine Milliardstel Sekunde genau.

ICESat-2 befindet sich auf einer Umlaufbahn, die es alle 91 Tage um die Erde führt und es ihm ermöglicht, alle drei Monate ein Höhenraster des gesamten Planeten zu erstellen. Dazu gehören nicht nur die Eisschilde, sondern auch Seen, Wälder und Dschungel. Der Satellit beweist sich unter anderem bei der Messung der Tiefe von Schmelztümpeln, die sich auf Meereis bilden, wie Walt Meier, Meereisforscher bei der NASA, erklärt.

„ICESat-2 hat die Fähigkeit bewiesen, Schätzungen über die Tiefe des Schmelztümpels auf Meereis zu erhalten“, sagte Meier. „Die Tiefe gibt das Gesamtvolumen des Schmelzwassers an und wie „reif“ es ist. Schmelztümpel sind Schlüsselaspekte des Meereises, weil sie das Reflexionsvermögen der Oberfläche verringern (sie sind dunkler als Eis und Schnee) und dies dazu führt, dass mehr Energie von der Oberfläche absorbiert wird. Dies führt zu mehr Schmelze und früherem Meereisverlust. Solche Tiefendaten waren vor ICESat-2 von Satelliten nicht verfügbar.“

Indem sie Dinge wie Veränderungen in der Meereisbedeckung oder die Masse der Eisschilde verfolgen, können sich Wissenschaftler ein Bild davon machen, wie sich das Erdklima verändert und welchen Verlauf es in der Zukunft nehmen könnte. Tools wie ICESat-2 ermöglichen es Wissenschaftlern, diese Veränderungen mit beispielloser Präzision und Regelmäßigkeit zu verfolgen und ein neues Licht auf langfristige Trends zu werfen, um einen viel klareren Blick auf die Zukunft zu ermöglichen.

„Da ICESat-2 weiterhin nominell arbeitet, werden wir die Zeitreihen dieser Variablen ergänzen, die es uns ermöglichen, kurzfristige Schwankungen von den längerfristigen Signalen zu trennen, die für die Klimawissenschaft von größerem Interesse und größerer Bedeutung sind“, so das ICESat-2-Projekt erklärte der Wissenschaftler Tom Neumann gegenüber New Atlas. „Obwohl es über 200 Peer-Review-Papiere gegeben hat, die ICESat-2-Daten verwendet haben, bin ich fest davon überzeugt, dass die wichtigsten Ergebnisse von ICESat-2 noch kommen werden, während wir diese Zeitreihen der Veränderung erstellen.“