Elektronenverlust in der Mesosphäre

Die freien Elektronen in der Ionosphäre entstehen durch verschiedene Ionisationsprozesse wie solares UV oder Röntgenstrahlen, kosmische Strahlung oder durch Flüsse energiereicher solarer Partikel, die aus dem Sonnenwind stammen. Der umgekehrte Vorgang, der den Anteil der Atmosphäre der ionisiert ist, begrenzt, ist entweder Rekombination bei der das ursprüngliche neutrale Molekül entsteht, oder Anlagerung der Elektronen an Neutrale inklusive Aerosole. In einem weiteren Schritt rekombinieren diese so entstandenen negativ geladenen Teilchen mit positiven Ionen und es wird daraus wieder die ursprüngliche neutrale Atmosphäre, oder aber es entsteht ein Spurengas. Von Labormessungen sind die wichtigsten Anlagerungsprozesse leidlich gut bekannt, während in der realen Atmosphäre die beobachteten Elektronenanlagerungen weit mehr streuen, als man es aufgrund der Unsicherheit der Labordaten oder den getroffenen Annahmen bezüglich der Hintergrundatmosphäre annehmen kann. Die wahrscheinlichste Erklärung für diese sehr stark streuenden Werte ist, daß Elektronen sich nicht nur an Moleküle, sondern auch an Meteorstaub anlagern, der nach theoretischen Modellen und in-situ Messungen insbesondere in der Mesosphäre vorhanden, aber dessen Konzentration sehr variabel ist. Die meisten der bislang erhaltenen Daten zum Elektronenverlust wurden von Raketenflügen gewonnen, die aber ohne gleichzeitige Messungen von für die Anlagerung an Aerosolen potentiell wichtigen Parametern durchgeführt wurden. Vier Höhenforschungsraketen in zwei Kampagnen sollen Meßgeräte enthalten, deren Daten sehr aussagekräftig für ein besseres Verständnis des nächtlichen Elektronenverlustes in der Mesosphäre sind. Die primären Forschungsziele dieser Kampagnen sind die Dynamik und die Energiebilanz des Mesosphäre zu verschieden Jahreszeiten, bzw. die Bestimmung der Höhenverteilung und der Größe von Meteorstaubteilchen. Die Beteiligung mit den österreichischen plasma-diagnostischen Meßgeräten ist für beide Teile wertvoll, d.h. einerseits für die primären Forschungsziele der beiden Kampagnen, und andererseits stellen die Daten von atomaren Sauerstoff, solarem UV und der Meteorstaubverteilung etc. wichtige Parameter dar, um den Elektronenverlust besser zu verstehen. Drei der vier Raketen werden in der selben Kampagne starten, die vierte etwa ein Jahr später, aber zu einer anderen Jahreszeit.

Der ionisierte Teil der Mesosphäre (in 50 bis 80 km Höhe) ist auch als D-Region bekannt. Die wichtigsten Prozesse sind schon lange durch Gaschemieprozesse erklärbar, aber es bleiben noch systematische Diskrepanzen zwischen Meßdaten und Modellergebnissen. Abweichungen zu erhöhten Elektronendichten können durch das sporadische Auftreten von Schichten metallischer Ionen erklärt werden, die wesentliche geringere Rekombinationsraten haben; diese Schichten werden daher als sporadisch E (Es) bezeichnet. Ausgeprägte, kleinräumige Einbrüche der Elektronendichte (sog. bite-outs) wurden schon des längeren in hohen Breiten in der sommerlichen Mesopause beobachtet und konnten eindeutig durch Anlagerung freier Elektronen an Eiskristalle erklärt werden, die zu diesen Bedingungen in dünnen Schichten vorkommen. Ein universellerer Verlust freier Elektronen ist deren Anlagerung an Meteorstaub. Erste Versuche diesen zunächst nur angenommen Staub zu festzustellen, verwendeten sog. Faraday cups. Der Mangel diese Instrumentes ist, daß innerhalb des Detektors der durch die Raketengeschwindigkeit entstehende Staudruck dazu führt, daß leichte Teilchen nicht die Detektorelektrode erreichen und unentdeckt bleiben; daher sind diese Meßergebnisse stets verzerrt zu Gunsten schwererer Partikel und man kann damit nur die obere, nicht aber die untere Grenze der Staubpartikelschicht feststellen. Auf zwei Höhenforschungsraketen wurden neuartige, für die Messung der theoretisch erwarteten Staubteilchen optimierte Massenspektrometer von der norwegischen Raketenbase Andøya geflogen. Das Gerät war speziell ausgelegt um das Problem des Staudruckes zu minimieren; weiters wurden diese beiden Nutzlasten aktiv so gesteuert, daß die Achse der Raketen, bzw. des Massenspektrometers stets nach dem erwarteten Geschwindigkeitsvektor ausgerichtet war. So war es erstmalig möglich die Untergrenze der Staubteilchenschicht festzustellen, als nämlich das Gerät am Abstieg, als es verläßlich ausreichend evakuiert war, genau in der selben Höhe wie beim Aufstieg die Untergrenze festgestellt wurde. Ein weiteres Paar von Forschungsraketen hatte die Verteilung von wichtigen Spurengasen der Mesosphäre, sowie deren Transport zum Ziel. Dazu wurden hochauflösende Temperaturprofiel gemessen, aus denen man auf Turbulenz und in Folge Umverteilung von Spurengasen wie insbesondere atomaren Sauerstoff schließen kann. Atomarer Sauerstoff wurde daher mit verschieden, zum Teil neuartigen Geräten gemessen, woraus man die Vor- und Nachteile der einzelnen Geräte bestimmen kann. Die durch diese Raketenflüge erhaltenen Daten werden zu wesentliche Verbesserungen theoretische Atmosphärenmodell führen.