"CRISTA-SPAS auf der Spurensuche nach Strukturen in der Atmosphäre"
Wellen und Wirbel
Die Raumfahrt leistet heute einen wichtigen Beitrag zur Sicherung unserer natürlichen und gesellschaftlichen Grundlagen. Dazu zählen auch moderne Satelliten, die uns detaillierte Informationen über den Zustand unserer Welt liefern. Die Beobachtung der Atmosphäre aus dem Weltraum stellt aussagekräftige Daten bereit, die angesichts der globalen Herausforderungen Antworten auf drängende Fragen geben können.


Das CRISTA-Teleskop mißt die Verteilung
von Spurengasen in der Atmosphäre


Die Deutsche Agentur für Raumfahrt- angelegenheiten (DARA) GmbH führt deshalb das ASTRO-SPAS Programm durch - in enger Kooperation mit der amerikanischen NASA. Als zweite Nutzlast kam in einer Serie von Flügen das neuartige CRISTA-Teleskop zum Einsatz, um dynamische Prozesse, die in unserer mittleren Atmosphäre (10 - 100 km Höhe) auftreten, näher in Augenschein zu nehmen. Diese dynamischen Phänomene treten als kleine und mittlere Strukturen in der Atmosphäre auf, in der Form von Strömungen, Zirkulationen, Wirbel, Wellen und Turbulenzen. Zum Nachweis dieser Strukturen wurden als "Fingerabdrücke" die Verteilungen von ausgewählten Spurengasen vermessen.
 
"Zu neuen Horizonten"
CRISTA-SPAS
ist eine explorative Mission - sie erkundet wissenschaftliches Neuland
Während Ballons und existierende Satelliten die Spurengasverteilungen nur in horizontaler oder vertikaler Ausrichtung mit ausreichender Genauigkeit (Auflösung) vermessen können, ist CRISTA-SPAS in der Lage, die Verteilung der Spurengase in der mittleren Atmosphäre global, hochaufgelöst und dreidimensional zu erfassen. Dieses wird ermöglicht durch den simultanen Betrieb von drei Infrarot-Teleskopen, die ihre Blickrichtung aus 300 km Höhe auf den Horizont ausrichten. CRISTA blickt dabei rückwärts zur Flugrichtung.



 
"Unsere Atmosphäre im Raster"
Schnelligkeit ist der Trumpf für CRISTA-SPAS





Die Aussagekraft von wissen- schaftlichen Meßwerten ist dann am größten, wenn alle Punkte der Atmosphäre möglichst zum gleichen Zeitpunkt erfaßt werden. Dieser Idealvorstellung sind leider technische Grenzen gesetzt, denen CRISTA-SPAS aber schon recht nahe kommt. Während herkömmliche Satelliten etwa ein halbes Jahr brauchen, um den interessierenden Teil der Atmosphäre der Erde global zu erfassen, erledigt CRISTA-SPAS diese Aufgabe in nur einer Woche.
Dank seiner ungewöhnlich schnell arbeitenden Meßtechnik - mit Detektoren, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt arbeiten, kann CRISTA-SPAS ein engmaschiges globales Raster von Spurengasverteilungen liefern. Der Abstand zweier Punkte dieses Rasters, d. h. seine "Genauigkeit" oder Auflösung, beträgt nur 2 km in vertikaler und 500 bzw. 650 km in horizontaler Richtung. Damit wird die Atmosphäre hinreichend genau in kurzer Zeit erfaßt.
 
"Atmosphäre..."
CRISTA-SPAS
ein wichtiges teil zum Puzzle "Atmosphärenprozesse"
Die Zusammensetzung unserer Atmosphäre - und insbesondere deren zeitliche Entwicklung - wird durch sehr verschiedenartige Phänomene bestimmt, die miteinander in Wechselwirkung stehen und deshalb nur eine hinreichend genaue Beschreibung liefern, wenn man sie zusammen betrachtet.


Das CRISTA-Teleskop auf dem Weg in die USA zur Integration in den ASTRO-SPAS Wissenschaftssatelliten
 

Neben den dynamischen Prozessen spielen noch photochemische und energetische Prozesse eine wichtige Rolle. Die Vorgänge in der Atmosphäre lassen sich stark vereinfacht vergleichen mit der Zubereitung eines Menüs (= unser Wissen) nach dem Rezept (=unsere Modellvorstellung): erst die richtige Wahl der Zutaten (=Photochemie), die richtige Wärmezufuhr (=Energetik) und gelegentliches Umrühren (=Dynamik) lassen daraus ein lebenserhaltendes Menü werden. Von CRISTA-SPAS erwarten die Wissenschaftler zuverlässige Stützwerte über die Dynamik, die dann in Modellrechnungen über die Atmosphäre einfließen und dadurch die Aussagekraft der Modelle erhöhen.
 
"Auf dem Prüfstand"
CRISTA-SPAS dient auch der Eichung von Detektoren
Die Lieferung von Stützwerten für Atmosphärenmodelle ist das wichtigste wissenschaftliche Ziel der CRISTA-SPAS Mission. Darüber hinaus werden die Messungen dieses Teleskops auch für andere Satelliten von Bedeutung sein.
Die Infrarotdetektoren an Bord des CRISTA-Kryostaten werden sowohl vor als auch nach der Mission geeicht, um eventuelle zeitliche Abweichungen festzustellen. Mit der Aussage über diese Effekte von Detektoren lassen sich Detektoren an Bord bereits fliegenden Satelliten besser beurteilen. Es wird dann möglich, stets vorhandene Degradationseffekte zu kompensieren, wodurch laufende und zukünftige Messungen der Satelliten wieder eine bessere Aussagekraft erhalten.
"Je kälter desto besser"
Der größte weltraumtaugliche Kryostat im Einsatz


Um die geforderte hohe Meßgeschwindigkeit und die hohe räumliche Auflösung zu erreichen, werden die Infrarot-Detektoren und die optischen Komponenten des CRISTA-Instrumentes mit kryogenem Helium auf 2,5 - 13 K (minus 270 - 260°C) abgekühlt. Mit einem Fassungsvermögen von fast 800 Litern an flüssigem Helium betreibt CRISTA-SPAS eines der größten Kryostaten, der weltraumtauglich ist. Diese Menge gewährleistet, daß die drei Infrarot-Teleskope - mit ihren dazugehörigen Spektrometern - während der Missionszeit auf der nur wenig über dem absoluten Nullpunkt liegenden Temperatur gehalten werden. Dies stellt eine technische Meisterleistung dar. Die Spektrometer zerlegen das einfallende Licht der Atmosphäre in seine Bestandteile, wodurch spezifische Emissionsspektren ("Fingerabdrücke") der einzelnen Spurengase erkennbar werden.