Unsere Arbeit widmet sich der Erforschung der atmosphärischen Dynamik, die die Prozesse in Bodennähe mit denen am Übergang zum Weltraum in etwa 100 Kilometern Höhe verbindet. Die Atmosphäre wird maßgeblich durch wellenartige Bewegungen beeinflusst, die sich in ihrer räumlichen Ausdehnung und Energiefreisetzung grundlegend von ozeanischen Wellen unterscheiden. Dazu zählen planetare Wellen, die durch kontinentale Strukturen und Gebirgszüge angeregt werden, sowie Schwerewellen, die zum Beispiel bei der Überströmung von Gebirgen oder durch Stürme entstehen. Beide Wellenarten transportieren Energie und Impuls aus der unteren Atmosphäre bis in die Mesosphäre. Beim Brechen dieser Wellen entstehen Turbulenzen, die die thermische Struktur der Atmosphäre verändern und globale Zirkulationsmuster beeinflussen.

Zur Untersuchung dieses vertikalen Transports setzen wir bodengebundene Lidar-Instrumente ein, die durch die Streuung von Licht an atmosphärischen Molekülen präzise Messungen von Temperatur, Dichte und Windgeschwindigkeiten bis in die Mesosphäre ermöglichen. Ergänzend entwickeln wir Sensoren für Höhenforschungsraketen, die direkte in-situ-Messungen in der Atmosphäre an der Grenze zum Weltraum durchführen. Diese Sensoren erfassen insbesondere die kleinskaligen Turbulenzprozesse, die für die vertikale Durchmischung entscheidend sind. Unsere Forschung zielt darauf ab, den Energietransfer durch Wellen und die Rolle von Turbulenzen bei deren Dissipation zu quantifizieren. Die Ergebnisse tragen dazu bei, die Atmosphäre als ein gekoppeltes System zu modellieren und die Wechselwirkungen zwischen unterer Atmosphäre und der empfindlichen Grenzregion zum Weltraum zu verstehen. Dieses Wissen ist grundlegend für die Analyse des Weltraumwetters und das Verständnis von Änderungen in niedrigen Atmosphärenschichten auf die höhere Atmosphäre.

Die mittlere Atmosphäre enthält Partikel natürlichen und anthropogenen Ursprungs, die für atmosphärische und klimatische Prozesse von zentraler Bedeutung sind. Ein Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf der Untersuchung der mikrophysikalischen Eigenschaften von leuchtenden Nachtwolken (Noctilucent Clouds, NLC) und stratosphärischen Aerosolen. Diese Partikel wirken als empfindliche Indikatoren für Veränderungen in der oberen Atmosphäre und beeinflussen chemische Prozesse, den Strahlungshaushalt sowie die Wolkenbildung.

Meteorrauchpartikel (Meteor Smoke Particles, MSP), die beim Verglühen von kosmischem Staub beim Eintritt in die Atmosphäre entstehen, spielen dabei eine wichtige Rolle als potenzielle Kondensationskeime für NLC. Zudem gewinnen anthropogene Aerosole – insbesondere durch den Wiedereintritt von Raumfahrzeugen und durch Raketenemissionen – zunehmend an Bedeutung. Während wir die mikrophysikalischen Eigenschaften von NLC und stratosphärischen Aerosolen bereits detailliert analysieren, arbeiten wir durch Weiterentwicklung unserer Messtechniken daran, auch MSP präzise charakterisieren zu können.

Mit hochauflösenden Lidar-Methoden untersuchen wir die Verteilung, Dynamik und Wechselwirkungen dieser Partikel. Ziel ist es, ihr Vorkommen in der Mesosphäre zu verstehen und ihre Rolle für langfristige Umweltveränderungen zu bewerten, speziell in Höhenbereichen, in denen sie mit Wasserdampf interagieren.

Mit der steigenden Zahl von Satellitenstarts und Raumfahrtaktivitäten verändert sich die Zusammensetzung der oberen Atmosphäre. Beim Wiedereintritt von Raumfahrzeugen in die Erdatmosphäre werden Metalle wie Lithium, Aluminium, Kupfer und Titan freigesetzt. Diese Materialien, die in solchen Höhen natürlicherweise kaum vorkommen, beeinflussen die Mesosphäre und obere Stratosphäre in einem bisher nicht dokumentierten Umfang. In den kommenden Jahren wird sich diese Beeinflussung voraussichtlich weiter verstärken.

Unsere Abteilung trägt dazu bei, diese Entwicklungen systematisch zu erfassen und zu analysieren. Mit spezialisierten Mehrfarben-Resonanzlidaren messen wir selbst geringste Konzentrationen anthropogener Metalle in etwa 90 km Höhe. Dabei gilt es, die optischen Signaturen der einzelnen Metalle präzise vom natürlichen Hintergrund zu unterscheiden – eine anspruchsvolle Aufgabe. Es muss nun untersucht werden, wie sich diese Metalle chemisch verändern, wie lange sie in der Atmosphäre verbleiben und wie sie mit umgebenden Gasen und natürlichen Aerosolen interagieren. 

Diese Arbeiten liefern wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse, um Ausgangsbelastungen zu bestimmen, mögliche Auswirkungen auf Ozon und Wolkenbildung zu bewerten und internationale Gremien über die langfristigen Folgen dieser neuen atmosphärischen Einflüsse zu informieren. Unser Ziel ist es, die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Weltraum besser zu verstehen, um so eine nachhaltige Nutzung des erdnahen Weltraums für kommende Generationen zu ermöglichen.

Die Mesosphäre und die untere Thermosphäre (engl. mesosphere and lower thermosphere, MLT), die sich in etwa 50 bis 100 Kilometern Höhe befinden, reagieren besonders empfindlich auf den Klimawandel und Veränderungen der Treibhausgaskonzentrationen. Während ansteigendes Kohlendioxid (CO₂) in Bodennähe Wärme zurückhält und die Luft erwärmt, führt es in der MLT scheinbar paradoxerweise zu einer deutlichen Abkühlung, da die erhöhte Dichte des CO₂ eine effizientere Abstrahlung der Wärmeenergie in den Weltraum verursacht. Unsere Forschung widmet sich der präzisen Messung und Überprüfung dieses vorhergesagten Abkühlungseffekts in großer Höhe, der eines der deutlichsten und robustesten Anzeichen für den globalen Klimawandel ist. 

Wir verfügen über einige der weltweit längsten kontinuierlichen atmosphärischen Datensätze mit Lidar-Aufzeichnungen von über 30 Jahren. Diese langfristige Überwachung ist entscheidend, da sie es ermöglicht, natürliche Schwankungen der Atmosphäre aufgrund von Sonnenaktivität, vulkanischen Eruptionen oder saisonalen Effekte von dauerhaften, erzwungenen Klimatrends zu trennen. Wir quantifizieren Veränderungen in Temperatur, Winden und anderen dynamischen Schlüsselparametern der oberen Atmosphäre mit hoher Genauigkeit. Durch die Bestätigung der Muster der MLT-Abkühlung und deren Zusammenhang mit Beobachtungen von leuchtenden Nachtwolken (die heller werden und häufiger auftreten, wenn die Mesosphäre kühler und feuchter wird) liefern wir essenzielle wissenschaftliche Beweise, die globale Klimamodelle über die gesamte vertikale Ausdehnung der Erdatmosphäre hinweg validieren. Dieser umfassende Ansatz ist notwendig, um die vollständigen und komplexen Auswirkungen von Treibhausgasemissionen auf das gesamte Klimasystem der Erde zu verstehen.

Spitzenforschung in der Atmosphärenphysik ist nur durch kontinuierliche Fortschritte in Technologie und Instrumentierung möglich. Unsere Abteilung fungiert als Zentrum für angewandte Physik und Ingenieurwissenschaften und widmet sich der Entwicklung und dem Bau der nächsten Generation spezialisierter Instrumente für Fernerkundung und in-situ-Messungen. Dazu gehört auch die Bewältigung technischer Herausforderungen, um Systeme effizienter und robuster für den Einsatz in rauen Umgebungen zu machen. Wir entwickeln unsere Lidar-Technologie kontinuierlich weiter und konzentrieren uns auf zentrale Herausforderungen wie die Steigerung der Leistung, Kompaktheit und Zuverlässigkeit von Lasersystemen, damit sie letztlich auf Satelliten oder Höhenforschungsraketen eingesetzt werden können, um eine noch bessere Höhenauflösung bzw. eine globale Erfassung der Atmosphäre zu erhalten.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Raketensensoren: Wir entwerfen, testen und kalibrieren die komplexen wissenschaftlichen Nutzlasten – neue Generationen spezialisierter In-situ-Sensoren –, die an Bord von Höhenforschungsraketen gestartet werden. Diese Instrumente müssen so ausgelegt sein, dass sie den extremen Bedingungen eines Raketenflugs standhalten, einschließlich starker Vibrationen, extremer Temperaturen und dem Vakuum des Weltraums. Sie liefern einzigartige hochauflösende Messungen der atmosphärischen Zusammensetzung und Dynamik, die mit Fernerkundungsmethoden allein nicht erreichbar wären. 

Um verlässliche, kontinuierliche wissenschaftliche Ergebnisse von allen unseren Instrumenten zu gewährleisten, widmen wir außerdem erhebliche Ressourcen der Entwicklung fortschrittlicher Software zur Instrumentensteuerung. Diese unverzichtbare Software ermöglicht den automatisierten Betrieb unseres Lidar-Netzwerks an abgelegenen Standorten rund um die Uhr und umfasst robuste Datenverarbeitungspipelines, die für die schnelle Verarbeitung und Analyse der täglich gesammelten, terabytegroßen Datenmengen erforderlich sind. Darüber hinaus treibt diese Entwicklungsarbeit Innovationen im Bereich der wissenschaftlichen Automatisierung voran.