Ionenmessungen in der Stratosphäre und Mesosphäre mit neuentwickelten Massenspektrometern
2. Dezember 2021
Ionenmessungen in der Stratosphäre und Mesosphäre mit neuentwickelten Massenspektrometern
Im September und Oktober 2021 führte das IPA Ballon- und Raketenmessungen in Nordskandinavien zur Erforschung der Ionenzusammensetzung in der Stratosphäre und Mesosphäre durch. Die Zusammensetzung und Chemie der Ionen in der mittleren Atmosphäre (10-100 km) ist sehr komplex und bisher nur lückenhaft bekannt. Bei den beiden Messflügen wurden zwei neue, am IPA aufgebaute Quadrupol-Massenspektrometer eingesetzt. Diese werden mit einer Neon-Kryopumpe betrieben, um das erforderliche Vakuum für die Messung zu erzeugen.
Der Forschungsschwerpunkt des Raketeninstruments lag auf der Analyse von sehr schweren Ionen, die in Zusammenhang mit der Ablation von Meteoriten in der Mesosphäre entstehen, sogenannte Meteor Smoke Particles. Diese spielen eine Rolle im Zusammenhang mit polaren mesosphärischen Winterechos (PMWE), die bei der Raketenkampagne untersucht wurden.
Bei dem Ballonflug lag der Fokus auf Clusterionen in der Stratosphäre und es wurde unter anderem untersucht, wie der im April ausgebrochene Vulkan La Soufriere die klimatologisch wichtige, stratosphärische Aerosolschicht beeinflusst hat.
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Abbildung 1: Forschungsraketen der PMWE Messkampagne auf dem Gelände von Andøya Space. ROMARA ist auf dem oberen Deck der linken Rakete montiert. DLR / MORABA / J. Keller (CC BY-ND-NC 3.0).
Das Raketenmassenspektrometer ROMARA wurde im Rahmen des 2. Teils der PMWE Messkampagne des Institutes für Atmosphärenphysik aus Kühlungsborn von der norwegischen Insel Andøya am 1. Oktober 2021 gegen Mittag gestartet. Im Vergleich zur ursprünglichen Version vom erfolgreichen Erstflug im Frühjahr 2018 wurde das Instrument entscheidend verbessert: Höhenauflösung, Massenbereich und verringerte Querempfindlichkeiten beim Flug. Die Nutzlast erreichte eine Höhe von ca. 125 km. Eine erste Datensichtung zeigt, dass der Messflug sehr erfolgreich war. Es konnten verschiedenste Molekül- und Clusterionen beider Polaritäten sowie schwere, negativ geladene Partikel mit bis ca. m/z = 6000 gemessen werden.
Der Ballonflug fand im Rahmen des EU-Projektes HEMERA (H2020 V2) vom Startplatz des ESRANGE Space Centers in Nordschweden statt. Das neue IPA Ballon-Massenspektrometer BAMARA umfasst verschiedene technische Neuerungen. Unter anderem wurde ein umfangreiches Pumpsystem integriert, das aus einer zusätzlichen Turbomolekularpumpe nebst Vorpumpe besteht, um die Kryopumpe zu unterstützen. Der Erstflug des IPA Ballonmassenspektrometers (Abb. 2) fand am 11. September 2021 statt. Während des Aufstiegs gelangen Ionenmessungen in 25 km Höhe, dem erwarteten Höhenbereich der La Soufriere-Vulkanwolke. Erste Analysen der Massenspektren zeigen einen hohen Anteil von Clusterionen, die Schwefelsäure enthalten. Dies deutet auf hin, dass der Vulkan große SO2-Mengen in die Stratosphäre eingetragen hat. Dadurch ergeben sich erhöhte Schwefelsäurekonzentrationen, die mit den Ionen reagieren.
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Abbildung 2: Erstflug des IPA Ballonmassenspektrometer am 11. September 2021 in Nordschweden. DLR / H. Schlager (CC BY-ND-NC 3.0).
Beide Instrumente konnten nach ihren Flügen nahezu unbeschadet geborgen werden und erlauben so eine erneute Einsatzbereitschaft mit minimalem Aufwand.
