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GPS-Signale helfen Klimaforschung
Redaktion / Pressemitteilung des Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung
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23. Mai 2013

Die Signale von GPS-Satelliten lassen sich auch nutzen, um etwas über die Beschaffenheit der Erdatmosphäre zu erfahren. Diese Radio-Okkultations-Methode erfordert jedoch eine genaue Betrachtung möglicher Fehlerquellen. Ein Grazer Team hat nun eine wichtige Fehlerquelle ausgemacht und auch gleich eine passende Korrekturformel geliefert.

Erdatmosphäre
 
Blick auf die Erdatmosphäre. Foto: NASA [Großansicht als Bild des Tages vom 15. März 2011]

Eine Messmethode zur Analyse der physikalischen Eigenschaften der Erdatmosphäre, die Signale von Navigationssatelliten des Global Positioning System (GPS) nutzt, ist um einen systematischen Fehler ärmer - dank eines Projekts, das vom Fond zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) unterstützt wurde, der österreichischen Organisation zur Förderung der Grundlagenforschung.

Untersucht wurden mögliche Fehlerquellen bei der sogenannten Radio-Okkultations-Methode. Durch einen Tag-Nacht-Vergleich von Messdaten aus zehn Jahren wurde dabei ein wichtiger Fehler gefunden. Die Ergebnisse, die jetzt zusammen mit einem Korrekturvorschlag veröffentlicht wurden, sollten zu einer höhere Genauigkeit dieser Messmethode führen, die für die Klimaforschung von großer Bedeutung ist.

Die Radio-Okkultations-Methode wurde bereits zur Untersuchung der Atmosphären anderer Planeten angewandt, nur auf der Erde hatte man damit noch Probleme: Mit dem Verfahren lassen sich Informationen über die Beschaffenheit der Atmosphäre gewinnen. Sie basiert auf der Phasenverschiebung von Radiosignalen, die durch den Brechungsindex einer Atmosphäre verursacht wird. So wie Wasser den Pfad des Lichtes bricht, wirkt die Atmosphäre auf ein Radiosignal - ein Effekt, der messbar ist und von der Beschaffenheit der Atmosphäre abhängt.

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Dank zahlreicher GPS-Satelliten steht für die Erde ein umfassendes Messsystem zur Verfügung. Doch vor dessen optimaler Nutzung für die Klimaforschung muss erst eine rigorose Fehleranalyse erfolgen - und genau die wurde nun an der Universität Graz durchgeführt. "Obwohl das Klima von der freien Atmosphäre maßgeblich mitbestimmt wird, wissen wir über deren Entwicklung noch zu wenig. Die Radio-Okkultations-Methode bietet eine völlig neue Möglichkeit, langfristig und kontinuierlich hochakkurate Daten zu Dichte, Druck, Temperatur und Feuchtigkeit zu sammeln. Doch Fragen zum Vorhandensein systematischer Fehler müssen erst noch geklärt werden. Das tun wir," erläutert Projektleiter Prof. Ulrich Foelsche vom Wegener Center für Klima und Globalen Wandel.

Vor Kurzem gelang es, einen wesentlichen Einfluss festzustellen, der Messdaten verfälscht und auf die Sonnenaktivität zurückzuführen ist. Zum Verständnis dieses Effekts muss berücksichtigt werden, dass GPS-Satelliten in 20.000 Kilometer Höhe kreisen. Für die Radio-Okkultations-Methode werden ihre Signale von erdnäheren Satelliten empfangen und durchwandern dabei sowohl die obere, ionisierte als auch die untere, neutrale Atmosphäre. Für die Klimaforschung sind vor allem die Daten aus der unteren, neutralen Atmosphäre relevant. Tatsächlich wird das Signal aber schon in der höheren Atmosphäre durch ionisierte Partikel beeinflusst - ein Effekt, der bei der Auswertung korrigiert werden muss.

Die unlängst publizierten Ergebnisse der Gruppe um Foelsche belegen nun, dass diese Korrektur nicht so einfach ist, wie bisher angenommen. Bekannt war, dass die Größe der Signalablenkung in der ionisierten Atmosphäre am Tag anders ist als in der Nacht. Die Auswertung von Datenmaterial zweier Satelliten-Missionen (COSMIC, CHAMP) aus zehn Jahren zeigte nun, dass die Größe der Tag-Nacht-Unterschiede variiert.

Ursächlich für diese Variationen ist die jeweilige Sonnenaktivität. In Phasen hoher Sonnenaktivität nimmt die Ionisierung der oberen Atmosphäre während des Tages stärker zu als während Phasen geringerer Aktivität - was sich unterschiedlich auf die Ablenkung des Radiosignals auswirkt. Nach Erkennen dieser Variationen entwarf das Grazer Team eine Formel, die zukünftig eine bessere Korrektur der Messwerte erlaubt - und die im Rahmen von Modellrechnungen ihre Wirksamkeit bereits bewiesen hat.

Neben der jeweils aktuellen Sonnenaktivität berücksichtigt diese Formel auch den Breitengrad der Erde, an dem die Messung erfolgt - ein Faktor, der sich ebenfalls auf die Größe der Ionisierung der Atmosphäre auswirkt. So hofft das Grazer Team, dass sich durch ihre Arbeit mit der Radio-Okkultations-Methode künftig noch genauere Daten über den Zustand der Erdatmosphäre sammeln lassen. Diese wären ein wichtiger Beitrag zum besseren Verständnis der lebenswichtigen Schutzhülle unseres Heimatplaneten.

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siehe auch
METOP-A: Neuer Blick aufs Wettergeschehen - 12. Juli 2006
Links im WWW
FWF - Der Wissenschaftsfonds
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