Die innovative Mission der amerikanischen Weltraumorganisation NASA, bekannt unter dem Akronym PREFIRE, hat grünes Licht für eine Verlängerung ihrer Aktivitäten bis September 2026 erhalten. Diese bedeutende Entscheidung verlängert nicht nur die Lebensdauer der Mission, sondern erweitert auch dramatisch ihren wissenschaftlichen Umfang. Ursprünglich ausschließlich auf die Polarregionen der Erde fokussiert, wird die Mission ihre präzisen Instrumente nun auf die Überwachung des gesamten Planeten ausrichten. Bestehend aus einem Paar Miniatursatelliten, sogenannten CubeSats, von der Größe eines Schuhkartons, hat PREFIRE eine Schlüsselaufgabe: die Kapazität von Wasserdampf, Wolken und anderen Schlüsselelementen der Erdatmosphäre und -oberfläche zu messen, Wärme zu speichern, die ansonsten ins All abstrahlen würde. Die gesammelten Daten stellen eine unschätzbare Ressource dar, die es Wissenschaftlern ermöglichen wird, Klimamodelle und die Genauigkeit von Wettervorhersagen, einschließlich der Vorhersage von Stärke und Häufigkeit von Stürmen, erheblich zu verbessern.

Das Verständnis des Erdthermostats

Die im Frühjahr 2024 gestartete Mission PREFIRE (Polar Radiant Energy in the Far-InfraRed Experiment) begann mit präzisen Messungen der Wärmestrahlung, die unser Planet über der Arktis und Antarktis ins All abgibt. Der Mechanismus hinter dem globalen Klima ist im Grunde einfach, aber in den Details äußerst komplex. Die Erde absorbiert eine gewaltige Menge an Sonnenenergie, hauptsächlich in den tropischen Gebieten. Diese Wärme wird dann durch komplexe Systeme von Winden, Wettermustern und Meeresströmungen zu den Polen transportiert, die deutlich weniger direkte Sonneneinstrahlung erhalten. Die Eisschilde, die Schneedecke, Wolken und andere Elemente der polaren Umgebung strahlen dann einen Teil dieser ankommenden Wärme zurück ins All. Ein großer Teil dieses Prozesses findet in Form von ferner Infrarotstrahlung statt. Der Unterschied zwischen der Wärmemenge, die die Erde in den Tropen aufnimmt, und der Menge, die sie von den Polen abstrahlt, ist ein Schlüsselfaktor, der die globale Temperatur des Planeten beeinflusst und die dynamischen Klima- und Wettersysteme antreibt, die wir täglich erleben.

Gerade die Messung der Energie im fernen Infrarotspektrum macht die PREFIRE-Mission einzigartig. Dies ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, den bisherige Missionen nicht detailliert messen konnten, und stellt ein "kritisches fehlendes Glied" in unserem Verständnis des Energiehaushalts der Erde dar. Ohne diese Daten wiesen unsere Klimamodelle eine erhebliche Unsicherheit auf. PREFIRE geht diesen Mangel direkt an und liefert Daten, die die Kalibrierung und Verfeinerung von Vorhersagen über zukünftige Klimaveränderungen ermöglichen werden.

Fortschrittliche Technologie im Herzen der Mission

Im Kern der Mission befindet sich ein Paar extrem fortschrittlicher Spektrometer, die vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Südkalifornien konzipiert und gebaut wurden. Diese Instrumente sind darauf ausgelegt, Wellenlängen des Lichts im fernen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums zu messen. Ihre Empfindlichkeit ist revolutionär – sie sind in der Lage, zehnmal mehr verschiedene Wellenlängen in diesem Spektrum zu detektieren als jedes ähnliche Instrument, das sich bisher im Weltraum befand. Diese außergewöhnliche Präzision bietet Forschern einen bisher nie dagewesenen Einblick in die Schlüsselprozesse, die sich an der Erdoberfläche und in der Atmosphäre abspielen. Dazu gehören die detaillierte Überwachung des Schmelzens und der Bildung von Oberflächeneis, des Tauens und der Ansammlung von Schnee sowie Veränderungen in der Dichte und Art der Wolkendecke.

Brian Drouin, Projektwissenschaftler der PREFIRE-Mission am JPL, betonte die Bedeutung dieser Messungen: "Die PREFIRE-Satelliten zeigen, dass bei diesen längeren Wellenlängen die Menge der ins All abgehenden Strahlung von einer Eisart zur anderen um bis zu 5 Prozent abweichen kann. Messungen, die dieselben Gebiete, aber bei kürzeren Wellenlängen betrachten, zeigen diesen Unterschied einfach nicht." Diese Daten veranschaulichen die Leistungsfähigkeit der neuen Technologie und ihre Fähigkeit, subtile, aber kritische Unterschiede im Erdsystem aufzudecken, die bisher verborgen waren.

Erweiterung des Fokus auf ein globales Bild

Obwohl die CubeSats der PREFIRE-Mission von Anfang an Daten über den gesamten Planeten sammelten, konzentrierte das wissenschaftliche Team während der primären Phase der Mission seine Analyse auf die Polarregionen. Mit der Verlängerung der Mission wird dieser Fokus nun erweitert, um Daten aus dem Rest der Welt einzubeziehen. Diese Erweiterung öffnet die Tür zu völlig neuen wissenschaftlichen Möglichkeiten und Anwendungen.

Tristan L’Ecuyer, der leitende Forscher der Mission von der University of Wisconsin–Madison, erklärte die neuen Ziele: "Wir haben die Kapazität, Daten für die ganze Welt zu sammeln, nicht nur für die Pole. Was wir jetzt tun können, ist die Größe von Eispartikeln in Wolken zu analysieren, was den Energieaustausch zwischen Erde und Weltraum direkt beeinflusst." Er erläuterte weiter die praktischen Auswirkungen: "Wir werden in der Lage sein, diese Daten in Wettervorhersagemodelle zu integrieren, um Prognosen zu verbessern und unser Verständnis dafür zu vertiefen, wie Feuchtigkeit um den Planeten zirkuliert, was direkt beeinflusst, wo sich Stürme bilden und wie Niederschläge auf der ganzen Welt verteilt werden." Diese globale Perspektive wird es Wissenschaftlern ermöglichen, Prozesse in den Tropen mit denen an den Polen zu verbinden und so ein vollständiges Bild des globalen Klimasystems zu schaffen.

Eine einzigartige Umlaufbahn für einzigartige Einblicke

Die beiden Satelliten der PREFIRE-Mission befinden sich in einer sogenannten asynchronen, quasi-polaren Umlaufbahn. Das bedeutet, dass beide Satelliten bei jedem Umlauf in der Nähe der Pole vorbeifliegen, jedoch mit einem Zeitabstand von mehreren Stunden zueinander. Dieses Orbit-Design ist kein Zufall; es bietet einen entscheidenden Vorteil. Es ermöglicht die Aufnahme von zwei "Schnappschüssen" desselben Gebiets in einem relativ kurzen Zeitraum, was Wissenschaftlern Einblicke in Phänomene gibt, die sich auf kurzen Zeitskalen ereignen. Zum Beispiel ermöglicht es die Überwachung der vorübergehenden Auswirkungen der Wolkendecke auf die darunter liegende Oberflächentemperatur sowie die täglichen Zyklen des Gefrierens und Tauens von Eis. Diese Fähigkeit, schnelle Veränderungen zu verfolgen, ist entscheidend für das Verständnis der Dynamik des Erdsystems, anstatt nur ein statisches Bild zu erhalten.

Die PREFIRE-Mission wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA für das Science Mission Directorate der Agentur geleitet und stellte auch die entscheidenden Spektrometer zur Verfügung. Das Unternehmen Blue Canyon Technologies baute die CubeSat-Plattformen selbst, während die University of Wisconsin–Madison die riesigen Datenmengen verarbeitet, die die Instrumente sammeln. Der erfolgreiche Start beider CubeSats wurde von Rocket Lab USA Inc. von seinem Startkomplex 1 in Neuseeland im Mai und Juni 2024 durchgeführt und markierte den Beginn einer neuen Ära in der Beobachtung unseres Planeten.