(Jan Erik Paulsen/Flickr/CC BY 2.0) Wenn Sie zur richtigen Zeit am richtigen Ort sind und Ihren Blick zum Himmel richten, erblicken Sie möglicherweise etwas unheimlich Schönes: Wolkenfetzen hoch am Himmel, die sanft leuchten, obwohl die Sonne bereits untergegangen ist unterhalb des Horizonts.
Dabei handelt es sich um nachtleuchtende oder nachtleuchtende Wolken, die in der Dämmerung vor allem in den Sommermonaten in hohen Breiten auftauchen (jedoch nie vom Polarkreis aus beobachtet werden). Sie bestehen aus Ansammlungen von Eiskristallen hoch oben in der Atmosphäre, in mesosphärischen Höhen zwischen 76 und 85 Kilometern (47 bis 53 Meilen) über der Erdoberfläche.
Diese Streifen sind zu schwach, um tagsüber gesehen zu werden, aber nachdem die Sonne unter den Horizont gesunken ist, reichen ihre letzten Strahlen hoch in die Atmosphäre, obwohl der Stern selbst von der Planetenoberfläche aus nicht mehr sichtbar ist. Dort erhellen diese Strahlen die Wolken und lassen sie vor dem dunkler werdenden Himmel leuchten. Aus diesem Grund werden diese leuchtenden Wolken auch als „Leuchtwolken“ bezeichnet polare mesosphärische Wolken .
Sie sind außergewöhnlich schön – und möglicherweise auch wissenschaftlich sehr nützlich.
„Was großes Interesse an diesen Wolken geweckt hat, ist ihre Empfindlichkeit – sie kommen gerade am Rande der Lebensfähigkeit in der oberen Atmosphäre vor, wo es unglaublich trocken und unglaublich kalt ist.“ sagte der Weltraumphysiker Richard Collins der University of Alaska, Fairbanks.
„Sie sind ein sehr empfindlicher Indikator für Veränderungen in der oberen Atmosphäre – Veränderungen der Temperatur und/oder Veränderungen des Wasserdampfs.“
Collins und sein Team gingen davon aus, dass diese Wolken etwas mit der Anwesenheit von Wasserdampf in der oberen Atmosphäre zu tun haben könnten. Also taten sie das einzig Vernünftige: Sie beluden eine suborbitale Rakete mit Wasser und schossen sie in den Himmel über Alaska, um zu sehen, ob sie es könnten machen eine nachtleuchtende Wolke.
Um sicherzustellen, dass sie ihre künstlichen Wolken nicht mit natürlich vorkommenden Wolken vermischten, beschlossen sie, die Rakete in den Winterhimmel vor der Morgendämmerung zu schießen, wenn die Bedingungen für die Bildung natürlicher leuchtender Nachtwolken weitaus weniger förderlich zu sein scheinen als im Sommer.
Am 26. Januar 2018 startete die Raketenmission Super Soaker mit einer Höhenforschungsrakete Transport von 220 Kilogramm (485 Pfund) Wasser in zwei Kanistern. Begleitend flogen zwei weitere Höhenforschungsraketen, die Trimethylaluminium (TMA)-Tracer trugen, um die Windbewegungen zu verfolgen.
Bodentest der Wasserfreisetzung. (Wallops Flight Facility der NASA)
In einer Höhe von 85 Kilometern wurde das Wasser mit einem gewaltigen Rauschen freigesetzt. Nur 18 Sekunden später entdeckte ein Laserstrahl eines bodengestützten Rayleigh LIDAR eine schwache leuchtende Nachtwolke. Innerhalb von drei Minuten schien die Wolke von einer Spitzenhöhe von 92 Kilometern (57 Meilen) auf 78 Kilometer (48 Meilen) abzusinken.
Um herauszufinden, was passiert ist und warum sich die Wolke gebildet hat, musste das Team kreativ werden. Obwohl sie über atmosphärische Temperaturmessungen verfügten, hatten sie keine direkten Messungen der Temperatur der Wolke und führten daher Simulationen der Bildung leuchtender Nachtwolken durch. Die simulierten Bedingungen, unter denen sich die Wolke bildete, ermöglichten es dem Team, auf die Temperaturänderung zu schließen, die im Experiment stattgefunden haben musste.
(NASAs Wallops Flight Facility/Poker Flat Research Range/Zayn Roohi)
Über: Zeitraffer des Super Soaker-Starts. Der oben links sichtbare grüne Laserstrahl ist der LIDAR-Strahl, mit dem die künstliche Wolke vermessen wird.
Die einzige Möglichkeit, dass sich die Wolke bildete, war ein Temperaturabfall um etwa 25 Grad Celsius (45 Grad Fahrenheit). Dies deutete darauf hin, dass die Anwesenheit des aus den Kanistern freigesetzten Wasserdampfs selbst für diesen Temperaturabfall verantwortlich war. Durch den Anstieg der Luftfeuchtigkeit erhöhte sich auch die Temperatur am Frostpunkt, an dem Wasserdampf zu Eiskristallen kondensiert.
Durch die Kombination aus Temperaturabfall und Anstieg des Gefrierpunkts kommt es zu einem Übergang der beiden Temperaturen, was wiederum dazu führt, dass der Wasserdampf zu Eiskristallen gefriert.
„Dies ist das erste Mal, dass jemand experimentell nachgewiesen hat, dass die Bildung polarer mesosphärischer Wolken in der Mesosphäre direkt mit der Abkühlung durch Wasserdampf selbst zusammenhängt.“ sagte der Weltraumphysiker Irfan Azeem des Luft- und Raumfahrtunternehmens Astra, LLC.
Dies könnte laut den Forschern erklären, warum leuchtende Nachtwolken auf Weltraumstarts zu folgen scheinen. Wasserdampf kommt häufig in den Abgasen von Raumfahrzeugen vor, und Wissenschaftler haben diesen Zusammenhang im arktischen Sommer viele Male beobachtet.
In der polaren Mesosphäre kommt es im Sommer zu einem, wie die Forscher es nennen, „anhaltenden und kräftigen“ Auftrieb, der wahrscheinlich Wasserdampf aus tieferen Höhen transportiert und den gleichen Effekt erzeugt, den das Team in seinem Super Soaker-Experiment beobachtete.
„Dies könnte erklären, warum die Bildung mesosphärischer Wolken durch den Weltraumverkehr im Sommer leichter zu beobachten ist als im Winter.“ sie schrieben in ihrer Zeitung .
„Während die Wasserabgase des Weltraumverkehrs als Reservoir für die mesosphärische Wolkenproduktion dienen, legt diese Studie nahe, dass die Abgase auch die Mesosphäre aktiv kühlen und die Bildung mesosphärischer Wolken selbst im Polarwinter induzieren können.“
Beobachter nachtleuchtender Wolken könnten also eine neue Möglichkeit haben, vorherzusagen, wann sie auftreten werden: indem sie die Startpläne für den Weltraum sorgfältig befolgen.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im veröffentlicht Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Weltraumphysik .