PACE: So überwacht der neue NASA-Satellit Plankton und Aerosole – und liefert wichtige Erkenntnisse über den Klimawandel

Am 8. Februar 2024 startete der NASA-Satellit PACE (Plankton, Aerosol, Climate, ocean Ecosystem) an Bord einer SpaceX-Falcon-Rakete von der Cape-Canaveral-Weltraumstation in Florida. Der Satellit wird aus mehreren hundert Kilometern Höhe die Erde beobachten, um Partikel in der Atmosphäre und im Ozean zu erfassen, die bisher noch nicht gemessen werden.

PACE soll dabei helfen, die Ozeane und die Atmosphäre besser zu verstehen, indem die Schlüsselvariablen, die für Wolkenformationen, Teilchen und Verschmutzung in der Luft zuständig sind, sowie mikroskopische, fließende marine Lebewesen (Phytoplankton) gemessen werden. Die Daten sollen die Überwachung der miteinander verbundenen Systeme Ozean, Luftqualität und Klimawandel ermöglichen.

Der Satellit wird ein besseres Verständnis darüber ermöglichen, wie der Klimawandel ozeanische Phytoplanktonblüten beeinflusst. PACE wird außerdem entschlüsseln, wie Luftpartikel (Aerosole) wie Feinstaub oder Rauch Wolkenformationen beeinflussen – und auch wie groß ihr Einfluss auf Erderwärmung und -abkühlung ist.

Das PACE-Raumschiff ist etwa 3 Meter hoch und wiegt vollgetankt 1,7 Tonnen. Das Antriebssystem von PACE verwendet als Monotreibmittel Hydrazin. Ein einziger Tank fasst etwa 235 kg Hydrazin, das wiederum acht Triebwerke speist. Die Solaranlage des Raumfahrzeugs besteht aus drei Paneelen. Das Array misst 100 x 4,4 m und erzeugt zu Beginn des Betriebs etwa 2,7 Kilowatt Leistung. Die PACE-Mission ist auf eine Dauer von mindestens drei Jahren angelegt, obschon das Raumschiff ausreichend Ressourcen für neun Jahre mit sich trägt.

OCI: Grüntöne und Phytoplankton

PACE liefert Hyperspektralbeobachtungen von mikroskopisch kleinen Meeresorganismen, dem sogenannten Phytoplankton, sowie neue Daten über Wolken und Aerosole. Für die Messungen wurden daher drei besondere Instrumente im Satelliten installiert: OCI, SPEXone und HARP2.

Das wichtigste wissenschaftliche Instrument des Satelliten ist das Ozeanfarben-Instrument (Ocean Color Instrument, OCI). Das Gerät überwacht die globale Verteilung des Phytoplanktons und zeichnet neue Beobachtungen der Farbe des Ozeans auf, die durch die Wechselwirkung von Phytoplankton und Sonnenlicht bestimmt wird.

Generell handelt es sich bei Plankton um Mikroorganismen, die frei im Wasser schweben. Neben dem Phytoplankton, das aus pflanzlichen Mikroorganismen besteht, gibt es noch das Zooplankton, das aus tierischen Organismen besteht. Zum Phytoplankton zählen etwa Kieselalgen, Grünalgen, Cyanobakterien, Dino-, Kalk- und Silicoflagellaten usw. Phytoplankton kann sowohl marin als auch im Süßwasser vorkommen.

Die Überwachung des Phytoplanktons ist wichtig, um Veränderungen in den Gewässern feststellen zu können, die wiederum Rückschlüsse auf den Klimawandel oder geänderte Meeresströmungen erlauben.

Bereits seit mehr als zwei Jahrzehnten wird Phytoplankton aus dem Weltraum heraus mit Fernerkundung (Remote Sensing) überwacht. Bisher beschränkte sich die Beobachtung jedoch auf das grüne Photosynthese-Pigment Chlorophyll a und Kohlenstoff. Auch gelöste anorganische Stoffe wie Mineralien, Sedimente, Lehm oder abgestorbenes organisches Material sowie farbiges gelöstes organisches Material (Colored Dissolved Organic Material, CDOM) lassen bereits sehr gut erfassen. Sie alle haben unterschiedliche Farbtöne im Bereich des sichtbaren Lichts.

Anhand der unterschiedlichen Grüntöne können nun über den Refraktionsindex die verschiedenen Algenarten festgestellt werden. Der neue Ozeanfarbensensor kann die Reflexion elektromagnetischer Energie in einem breiten Spektrum von Wellenlängen messen, die mit denen der verschiedenen Phytoplanktonarten abgeglichen werden können.

Das OCI misst jedoch nicht nur die Farbe, sondern stellt auch den Zusammenhang von Sonnenlicht und den Substanzen im Meerwasser wie etwa Chlorophyll a her.

Bisher ist die Messung von Farben zwar schon relativ weit fortgeschritten – die unterschiedlichen Grüntöne mit den unterschiedlichen Wellenlängen konnten bisher jedoch nicht in ihrer Heterogenität erfasst werden. Das OCI stellt daher das bis dato differenzierteste NASA-Instrument zur Messung unterschiedlicher Farben auf der Erde dar.

HARP2 und SPEXone: Polarisation und Aerosole

PACE ist mit zwei weiteren Instrumenten, so genannten Polarimetern, ausgestattet, dem Spectro-polarimeter for Planetary Exploration (SPEXone) und dem Hyper-Angular Rainbow Polarimeter #2 (HARP2). Polarimeter wie SPEXone oder HARP2 messen die Polarisation von Licht, also die Richtung einer bestimmten Schwingung des Sonnenlichts. Insbesondere kann die Größeverteilung der Wolkentröpfchen ermittelt werden.

Durch diese zusätzliche Information, die von normalen Kameras nicht erfasst werden kann, können Forscher Rückschlüsse über die Lebensdauer von Wolken ziehen – eine bedeutende Information bei der Vorhersage von Wetterereignissen. Die Reflektion des Sonnenlichts auf der Wasseroberfläche wiederum ermöglicht die Bestimmung der Windgeschwindigkeit.

Durch die genaue Beobachtung der Luft können Aerosole überwacht werden – kleine feste oder flüssige Teilchen in der Atmosphäre – , ihre Beziehung zu Wolkenformationen sowie ihre Wechselwirkung mit dem Sonnenlicht. Auf diese Weise können mehr Informationen darüber gewonnen werden, wie Aerosole den Klimawandel beeinflussen.

Das HARP2 von der University of Maryland Baltimore County ist einer multispektraler Polarimeter. Das Instrument kann die Atmosphäre aus bis zu 60 verschiedenen Winkeln beobachten.

SPEXone wurde von einem Konsortium mit Sitz in den Niederlanden beigesteuert. Es misst die Intensität, den Grad der linearen Polarisation (Degree of Linear Polarization, DoLP) und den Winkel der linearen Polarisation (Angle of Linear Polarization, AoLP) des Sonnenlichts, das von der Erdatmosphäre, der Landoberfläche und dem Ozean zurückgeworfen wird. Der Schwerpunkt der SPEXone-Entwicklung liegt auf der Erreichung einer sehr hohen Genauigkeit der DoLP-Messungen, die eine genaue Charakterisierung von Aerosolen in der Atmosphäre ermöglicht.

Zusammen werden die drei Instrumente zu neuen und bedeutenden Durchbrüchen in der Aerosol-Wolken-Ozean-Forschung beitragen.