Klimaforschung: Die Nordlichtmacher

Geophysiker erforschen die Grenzschicht zwischen Erde und Weltraum – und bringen sie zum Leuchten.

© Uriel Sinai/Getty Images

Kosmische Partikel lassen in Polarnähe die obere Atmosphäre geisterhaft erglühen.

Ein Stoff, wie geschaffen für die globale Gemeinde der Grenzwissenschaftler und Verschwörungstheoretiker: Am Ende der Welt, in Lappland, Nordnorwegen und im nördlichsten Zipfel von Schweden, hocken Wissenschaftler im Schnee und richten gewaltige 32-Meter-Parabolspiegel auf den Himmel über ihren Köpfen. Sie beschießen die Hochatmosphäre mit einem Monsterradar, das mit einer Leistung im Megawattbereich sendet.

Geht es da um Wettermanipulation? Erdbebenbeeinflussung? Gedankenkontrolle? Die Spekulanten in den einschlägigen Internetforen rechnen mit dem Übelsten. Doch ganz so schlimm ist es nicht. Das Äußerste, was den Geophysikern der internationalen Forschungsorganisation Eiscat (European Incoherent Scatter Association) einmal gelang, war die Erzeugung eines künstlichen Nordlichts. Unter Amateurfunkern wurde Eiscat bekannt, als man einmal den Mond beschoss – und selbst der kleine Funker die Antwort des Mondes mit seinem Gerät wahrnehmen konnte.

Doch eigentlich haben die Forscher mit ihren in Polarnähe – zum Beispiel im norwegischen Tromsø – montierten Radaranlagen eine Art erdgesteuertes Weltraumlabor aufgebaut. Für eine, verglichen mit Raketen oder Satelliten, preiswerte Erkundung der Ionosphäre. Auf diese äußere Atmosphärenschicht treffen zum Beispiel die hochenergetischen kosmischen Partikel, die von Eruptionen an der Sonnenoberfläche ausgehen (»Sonnenwind«) oder aus der Galaxis angeschossen kommen. Die Riesenschüsseln erlauben nicht nur Messungen in hundert und mehr Kilometern Entfernung, sondern auch aktive Eingriffe ins Gefüge der dortigen, teilweise ionisierten Gase (Plasma).

Ionosphärenforschung hat Konjunktur. Immer mehr Wissenschaftler glauben, dass der Schlüssel zum Verständnis des Klimawandels auch in der Erkundung der Ionosphäre liegt. Das Erdenklima, so die Vermutung, hat viel mehr mit dem erdnahen Weltraumklima zu tun, als man bisher annahm. Und die Ionosphäre ist die Region, wo sich die Effekte von beiden vermischen. Deshalb das Forscherinteresse.

Zu den Gründungsmitgliedern von Eiscat zählte im Jahre 1975 auch Deutschland, das seit 2011 nicht mehr dabei ist. Heute finanzieren Norwegen, Schweden, Finnland, Japan, Großbritannien und sogar China die Organisation. Jahrzehntelang hat Eiscat still und brav Ionosphärendaten gesammelt.

Hochenergetische Radarstrahlen werden dafür in kurzen Pulsen in die Ionosphäre geschickt, treffen auf Elektronen und regen diese an, zu schwingen. Dadurch werden sie selbst zu kleinen Antennen und schicken eine Radiowelle zurück. Die Energie dieses ultrafeinen Signals ist nur so groß wie der 100-trilliardste Teil (10-23) des Ursprungsradarstrahls. Das ferne Fiepen überhaupt aus dem Rauschen des Äthers herauszufiltern – selbst die kosmische Hintergrundstrahlung, die als Beleg für den Urknall gedeutet wird, ist »lauter« – gehört zu den ersten Leistungen von Eiscat.

Die Wissenschaftler können mit den Daten zum Beispiel berechnen, in welcher Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich das Plasma bewegt. Sie erfahren etwas über die Elektronendichte, Ionensorten und -temperatur, die Stärke und Richtung des elektrostatischen Feldes. Weltweit einzigartig ist, dass die Eiscat-Anlage dreidimensional messen kann – von drei entfernten und miteinander vernetzten Standpunkten aus. Und keine andere Radaranlage kann das polare Nordlicht über einen so großen Raum beobachten.

Zu den spektakulärsten Ergebnissen führt jedoch das »Heating«, das punktuelle Aufheizen der Ionosphäre. Aus den Mustern, die in hundert Kilometern Entfernung für einen winzigen Moment entstehen, kann man auf die chemische Zusammensetzung des Plasmas schließen. Nebenbei kann das Heizen kleine Nordlichter hervorrufen.

Für Esa Turunen, seit 2009 Eiscat-Direktor, ist diese Forschung kein Selbstzweck. Dahinter stehe zum Beispiel der Wunsch nach besseren Klimamodellen, die auch das »Weltraumwetter« mit einbeziehen. »Wir müssen den Begriff Umwelt weiter fassen«, sagt Turunen. Zur Umwelt gehöre die gesamte Struktur der Atmosphäre, selbst der Weltraum. Und natürlich die Sonne.

Turunen, langjähriger Ionosphärenforscher und begeisterter Aurora-Fotograf, sieht aktuell eine doppelte Bewegung: Die Klimaforscher hätten mit der Beobachtung der Sonne und ihrer Ausbrüche festgestellt, dass die Ionosphärenforschung ungeahnte Beiträge zur langfristigen Entwicklung des globalen Klimas liefern könne. Und die Meteorologie, die sich bislang auf die (tiefere) Troposphäre konzentriert habe, gewinne zunehmend den Eindruck, dass die Atmosphärenschichten viel mehr »gekoppelt« seien als je gedacht.

Deshalb soll jetzt der Blick in die Ionosphäre geschärft werden. »Eiscat 3D« nennt sich das mehrere Millionen Euro teure Projekt der Überführung der alten Eiscat-Infrastruktur in die Zukunft. Denn es ist schlicht nicht mehr ganz zeitgemäß, 100 Tonnen schwere Spiegel motorisch angetrieben hinter Ionosphären-Phänomenen wie dem Polarlicht herfahren zu lassen – die Aurora ist ohnehin schneller. Man denke allein an die 50 Zentimeter dicken Koaxialkabel, die mitgeführt werden müssen. Oder an das regelmäßige Entfernen von Schneemassen aus der Schüssel. Die zeitliche und räumliche Auflösung der gewonnenen Daten reicht auch nicht mehr aus. Dazu kommt die ärgerliche Tatsache, dass die Eiscat-Stationen in Finnland und Schweden im vergangenen Jahr ihre Radarfrequenz verloren haben – an einen Mobilfunkanbieter.

Deshalb beginnt 2016 die Zukunft. Dann richtet man zum Senden nicht mehr einen Riesenmund in Richtung Himmel und empfängt die Daten mit einem Riesenohr, sondern man arbeitet mit Unmengen kleiner Empfangs- und Sendeeinheiten – Antennen. Im Endausbau von Eiscat 3D werden an mehreren skandinavischen Standorten insgesamt an die 100.000 Antennen stehen. Sie können im Prinzip jederzeit im gesamten sichtbaren Himmelsbereich Signale aufnehmen.

Der Haken ist die digitale Bewältigung der Datenmassen. 1,5 Petabyte fallen voraussichtlich an – täglich! Das sind 1,5 Millionen Gigabyte. Wie soll man diese Informationsflut handhaben? Da setzen die Forscher auf das Prinzip Hoffnung: Sie glauben fest an weiter fallende Preise für noch leistungsfähigere Computer – und daran, dass ihnen ein schlaues Löschmanagement einfällt.