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GPS-Signale helfen Klimaforschung
Redaktion
/ Pressemitteilung des Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung
astronews.com
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.
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.
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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