Raketenwerfer zeigen Wasserdampfeffekt in der oberen Atmosphäre

Die Ergebnisse des mehrstufigen Starts 2018 in der Poker Flat Research Range nördlich von Fairbanks, Alaska, werden Wissenschaftlern helfen, die Auswirkungen von mehr Wasserdampf, der sich am Rande der Erdatmosphäre ansammelt, besser zu verstehen.

“Dies ist das erste Mal, dass experimentell nachgewiesen wird, dass die Wolkenbildung in der Mesosphäre direkt mit der Abkühlung durch Wasserdampf zusammenhängt”, sagte Irfan Azeem, Weltraumphysiker bei Astra LLC in Louisville, Colorado, und Hauptforscher der Super Soaker-Mission.

Das von der NASA finanzierte Projekt Super Soaker beinhaltete den Start eines Kanisters mit etwa 50 Gallonen Wasser in Richtung Himmel, um in der Nacht vom 25. auf den 26. Januar 2018 eine künstliche polare mesosphärische Wolke zu erzeugen. Die Wolke bildete sich 18 Sekunden, nachdem das Wasser aus 50 Meilen Höhe freigesetzt worden war.

Ein Zeitrafferfoto zeigt den Start des Super Soaker am 25. und 26. Januar 2018. Drei Raketen, die mit der Mission gestartet wurden, zwei von ihnen verwenden Dampf-Tracker, um die Windbewegung zu verfolgen, und eine lässt einen Wasserbehälter fallen, um eine polare mesosphärische Wolke zu säen. Der oben links sichtbare grüne Laserstrahl ist der LIDAR-Strahl, mit dem die künstliche Wolke gemessen wird.

Die Ergebnisse des Super Soaker-Experiments wurden diesen Monat im Journal of Geophysical Research von Richard Collins, Professor für Atmosphärenwissenschaften an der Fairbanks Graduate School der Universität von Alaska und am Geophysical Institute, mit Azeem und einem Team veröffentlicht. Wissenschaftler aus allen Teilen der USA. Die Absolventen des Geophysics Institute, Jintai Li und Jennifer Alspach, die Lidar-Systeme für das Projekt entwickelten und an dem Experiment teilnahmen, gehörten zu den 10 Mitautoren des Artikels. Die Studentin Mikayla Grunin arbeitete mit Li zusammen, um eines der Lidar-Systeme zu entwickeln.

Das Super Soaker-Experiment zeigte, dass Wasserdampf auf zwei Arten zur Wolkenbildung in der oberen Atmosphäre beiträgt: indem die Luft feuchter gemacht und die Luft gekühlt wird. Diese Feuchtigkeitskühlung unterscheidet sich von der Erwärmung durch den “Treibhauseffekt”, die durch Wasserdampf auf der untersten Ebene der Atmosphäre – der Troposphäre – verursacht wird.

Erhöhter Wasserdampf stammt von Methan, das vom Menschen in erhöhten Mengen produziert wird. Methan steigt in die Mesosphäre auf, wo es im Sonnenlicht zu Wasserdampf und Kohlendioxid oxidiert wird.

Der Weltraumverkehr trägt auch zur Menge an Wasserdampf bei, die sich in diesem Teil der Atmosphäre sammelt, da Wasserdampf in den Abgasen von Raketentriebwerken aus Papier häufig vorkommt. Zunehmender Weltraumverkehr führt dazu, dass sich mehr Wasser in der oberen Atmosphäre ansammelt.

Was sind die Folgen dieser Abkühlung in der oberen Atmosphäre?

“Wenn sich an kalten Morgen Nebel über Teichen bildet, erwarten wir, dass eine feuchtere Atmosphäre wolkiger wird. Wir haben gerade festgestellt, dass Wasserdampf die Atmosphäre aktiv abkühlt, um die Wolkenbildung zu fördern”, sagte Collins.

“Wir glauben nicht, dass dies radikale Auswirkungen auf den Boden haben wird, aber es hilft uns, langfristige Klimatrends in der Atmosphäre und die Rolle von Wasserdampf im Klimasystem zu verstehen”, sagte er. “Es ermöglicht uns auch, unsere Wetter- und Klimamuster besser zu verstehen. Oft ist die Wolkenbildung ein Härtetest dafür, ob alle Teile Ihres Wetter- und Klimamodells funktionieren.”

Polare mesosphärische Wolken befinden sich am Rande des Weltraums in einer Höhe von 47 bis 53 Meilen. In diesen Höhen gefriert der Wasserdampf und verwandelt sich in Eiskristalle und bildet Wolken. Diese Wolken leuchten nach Sonnenuntergang hell vor einem dunklen Himmel, wenn sie von unten mit Sonnenlicht beleuchtet werden. Polare Mesosphärenwolken werden auch Nachtglühen oder Nachtwolken genannt.

Während der Sommermonate treten in der Arktis oder Antarktis natürlich Wolken auf. Die Forscher entschieden sich dafür, die künstliche Wolke im Winter zu schaffen, um eine kontrollierte Umgebung zu haben.

Diese Wolken werden seit langem als Indikator für den Klimawandel verwendet. Erstmals im späten 19. Jahrhundert berichtet, waren Wolken im 20. und 21. Jahrhundert häufiger.

Das Super Soaker-Experiment bestand aus dem Abschuss von drei Raketen aus der Poker Flat Research Range in etwa 40 Minuten.

Die ersten beiden Raketen dispergierten harmlose Produkte aus Aluminiumoxid, Kohlendioxid und Wasserdampf sowie Trimethylaluminium, die bei Reaktion mit Sauerstoff ein bläulich-weißes Leuchten erzeugten. Durch die Verfolgung dieses Glühens können Forscher Winde in weiten Höhen identifizieren und die Wetterbedingungen sehen, aus denen das Wasser freigesetzt wurde.

Die dritte Rakete startete 90 Sekunden nachdem die zweite Rakete den Wasserbehälter befördert hatte. Der Kanister wurde in einer Höhe von 53 Meilen gezündet, wodurch eine kleine polare mesosphärische Wolke entstand, die nur von Lidar erfasst werden konnte.

Die Forscher möchten unbedingt einen zweiten Super Soaker durchführen, der viel mehr Wasser versprüht.

“Was wir gesehen haben, war sehr, sehr gut, und wir möchten dort mehr Wasser bekommen, um eine dickere Wolke zu erhalten und zu sehen, ob wir den Kühleffekt direkt anhand der Tatsache messen können, dass sich die Wolke bildet”, sagte Collins Collins Daten von bodengestütztem Lidar.

Andere Mitautoren des Papiers vertraten die Space Science Division im Naval Research Laboratory in Washington DC; Astra LLC, Boulder, Colorado; Utah State University Center für Physik der Atmosphären- und Weltraumwissenschaften; Physikabteilung der Clemson University; GATS Inc., Boulder, Colorado; und Johns Hopkins University Labor für Angewandte Physik.

Die Poker Flat Research Range gehört dem UAF Geophysical Institute und wird im Rahmen eines Vertrags mit der Wallops Flight Facility der NASA betrieben, die Teil des Goddard Space Flight Center ist.