Signaturen des Weltraumzeitalters: Raumschiffmetalle hinterlassen auf dem Weg der Menschheit zu den Sternen

16. Oktober 2023

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von Brittany Steff, Purdue University

Das Space Age hinterlässt Fingerabdrücke in einer der abgelegensten Regionen des Planeten - der Stratosphäre -, was potenzielle Auswirkungen auf das Klima, die Ozonschicht und die fortgesetzte Bewohnbarkeit der Erde hat.

Mithilfe von Werkzeugen, die an der Spitze ihrer Forschungsflugzeuge angebracht sind und in einer Höhe von über 11 Meilen über der Erdoberfläche Proben entnehmen, haben Forscher erhebliche Mengen an Metallen in Aerosolen in der Atmosphäre entdeckt, wahrscheinlich von immer häufigeren Starts und Rückkehr von Raumschiffen und Satelliten. Diese Masse an Metall verändert die Atmosphärenchemie auf eine Weise, die sich auf die Atmosphäre und die Ozonschicht der Erde auswirken kann.

"Wir finden dieses vom Menschen geschaffene Material in dem, was wir als einen unberührten Bereich der Atmosphäre betrachten", sagte Dan Cziczo, einer der Wissenschaftler, die eine Studie zu diesen Ergebnissen in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten. "Und wenn sich etwas in der Stratosphäre - dieser stabilen Region der Atmosphäre - verändert, verdient das einen genaueren Blick."

Cziczo, Professor und Leiter des Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences am College of Science der Purdue University, ist ein Experte für Atmosphärenwissenschaften, der Jahrzehnte lang diese rarefizierte Region erforscht hat.

Unter der Leitung von Dan Murphy, einem außerordentlichen Professor am Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences und einem Forscher der National Oceanic and Atmospheric Administration, hat das Team mehr als 20 Elemente in Verhältnissen nachgewiesen, die denen entsprechen, die in Raumfahrzeuglegierungen verwendet werden.

Es stellte sich heraus, dass die Masse an Lithium, Aluminium, Kupfer und Blei aus Weltraumwieder-eintritten weit über den Metallen liegt, die in natürlichem kosmischem Staub gefunden wurden. Fast 10% der großen Schwefelsäurepartikel - die Partikel, die zur Schutzschicht und Pufferung der Ozonschicht beitragen - enthalten Aluminium und andere Metalle von Raumfahrzeugen.

Wissenschaftler schätzen, dass bis 2030 möglicherweise bis zu 50.000 weitere Satelliten in den Orbit gelangen. Das Team schätzt, dass dadurch in den nächsten Jahrzehnten bis zu die Hälfte der Schwefelsäurepartikel in der Stratosphäre Metalle aus Wieder-eintritten enthalten würden. Welche Auswirkungen das auf die Atmosphäre, die Ozonschicht und das Leben auf der Erde haben könnte, ist noch nicht absehbar.

Wissenschaftler vermuten schon lange, dass Raumfahrzeuge und Satelliten die obere Atmosphäre verändern, aber die Erforschung der Stratosphäre, in der wir nicht leben und in die auch die höchsten Flüge nur kurzzeitig eindringen, ist eine Herausforderung.

Im Rahmen des Airborne Science Program der NASA fliegen Murphy und seine Gruppe ein WB-57-Flugzeug, um die Atmosphäre 11,8 Meilen (19 km) über dem Boden in Alaska zu untersuchen, wo zirkumpolare Wolken zu bilden neigen. Ähnliche Messungen wurden von Cziczo und seiner Gruppe mit einem ER-2-Flugzeug über den kontinentalen Vereinigten Staaten durchgeführt. Beide Gruppen verwenden Instrumente, die an der Spitze angebracht sind, um sicherzustellen, dass nur die frischeste, ungestörteste Luft entnommen wird.

Wie die Ruhefläche des Ozeans erscheint die Stratosphäre ruhig - zumindest in den Augen des Menschen. Leben und Zivilisation finden größtenteils auf der Oberfläche des Planeten und in der Troposphäre statt, der untersten Schicht der Atmosphäre. Die Stratosphäre ist eine erstaunlich stabile und scheinbar ruhige Schicht der Atmosphäre.

Die Stratosphäre ist auch das Reich der Ozonschicht: dieses gasförmige Wunder, das als globaler Schutzschild die Erde und alles darauf lebende vor den sengenden Strahlen der ultravioletten Strahlung schützt. Ohne die Ozonschicht hätte sich wahrscheinlich nie Leben auf der Erde entwickeln können. Und ohne sie ist es unwahrscheinlich, dass das Leben fortbestehen kann.

Die letzten Jahrzehnte waren ereignisreich für die Stratosphäre. In den 1980er Jahren geriet die Ozonschicht durch chlorfluorkohlenstoffhaltige Stoffe in Gefahr, und erst koordinierte, langfristige weltweite Anstrengungen von Regierungen und Unternehmen haben begonnen, Früchte bei der Reparatur und Auffüllung zu tragen.

"Sternschnuppen ziehen durch die Atmosphäre", sagte Cziczo.

"Oft verglüht der Meteor in der Atmosphäre und wird nicht einmal zu einem Meteoriten und erreicht den Planeten nicht. Das Material, aus dem er bestand, bleibt also in Form von Ionen in der Atmosphäre. Sie bilden sehr heißes Gas, das anfängt abzukühlen und sich als Moleküle zu kondensieren und in die Stratosphäre zu fallen."

"Die Moleküle finden zusammen und verbinden sich und bilden das, was wir Meteoritenstaub nennen. Wissenschaftler haben kürzlich bemerkt, dass der chemische Fingerabdruck dieser meteoritischen Partikel begonnen hat sich zu verändern, was uns fragen ließ: 'Was hat sich geändert?', denn die Zusammensetzung von Meteoriten hat sich nicht geändert. Aber die Anzahl der Raumfahrzeuge hat das."

Spacecraft launches, and returns, were once international events. The launches of Sputnik and the Mercury missions were front-page news. Now, a quickening tide of innovation and loosening regulation means that dozens of countries and corporations are able to launch satellites and spacecraft into orbit. All those satellites have to be sent up on rockets—and most of that material, eventually, comes back down.

Like the wakes of great ships trolling through the ocean, rockets leave behind them a trail of metals that may change the atmosphere in ways scientists don't yet understand.

'Just to get things into orbit, you need all this fuel and a huge body to support the payload,' Cziczo said. 'There are so many rockets going up and coming back and so many satellites falling back through the atmosphere that it's starting to show up in the stratosphere as these aerosol particles.'

Of course, shooting stars were the first space-delivery system. Meteorites fall through the atmosphere every day. The heat and friction of the atmosphere peel material off them, just as they do off human-made artifacts. However, while hundreds of meteors enter the Earth's atmosphere every day, they are increasingly being rivaled by the mass of metals that comprise the tons of Falcon, Ariane and Soyuz rockets that boost spacecraft into space and return again to Earth's surface.

'Changes to the atmosphere can be difficult to study and complex to understand,' Cziczo said. 'But what this research shows us is that the impact of human occupation and human spaceflight on the planet may be significant—perhaps more significant than we have yet imagined. Understanding our planet is one of the most urgent research priorities there is.'

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences

Provided by Purdue University