Es ist ein permanentes Geben und Nehmen: Täglich prasseln tonnenweise Teilchen und Meteoriten auf die Erde ein, aber ebenso viel Masse verflüchtigt sich auch aus der Atmosphäre in den Weltraum hinaus. NASA-Wissenschaftler gaben kürzlich einen Pressebericht des „NASA Earth Observatory“ heraus, in dem insbesondere auf den ständigen Verlust von Sauerstoff näher eingegangen wird. 

Um die Erde beispielsweise in Richtung Mond oder Mars zu verlassen, benötigen Astronauten mindestens die sogenannte Fluchtgeschwindigkeit von circa elf Kilometern pro Sekunde. Was für Raketen gilt, stimmt so auch uneingeschränkt für kleinste Teilchen wie Atome. Unsere irdische Atmosphäre besteht zu gut 78 Prozent aus Stickstoff, fast 21 Prozent Sauerstoff und zu etwas mehr als 0,9 Prozent aus dem Edelgas Argon. Der winzige Rest, der dann noch übrig bleibt, sind Aerosole und Spurengase wie Kohlenstoffdioxid, Ozon oder Methan. Abgesehen davon, dass der Sauerstoff zu unseren Lebensgrundlagen gehört, schützt uns die Atmosphäre im Verein mit dem Erdmagnetfeld unter anderem vor dem ständigen Bombardement durch die aggressive kosmische Teilchenstrahlung. 

Doch gerade der Sonnenwind aus Protonen und Elektronen ist so energiereich, dass die Zusammenstöße mit den Teilchen unserer Atmosphäre dazu führen, dass letztere große Impulse kriegen, so groß immerhin, dass sie auf Geschwindigkeiten beschleunigt werden, die deutlich über der Fluchtgeschwindigkeit liegen. In der Folge verlassen diese atmosphärischen Bestandteile das System Erde für immer. Mehrere Hundert Tonnen Atmosphäre sind davon jeden Tag betroffen. 

Biologische Prozesse, allen voran die Photosynthese, gleichen den Verlust der Sauerstoffatome zwar weitgehend aus, aber eben nicht vollständig. Wie genau es um die Verhältnisse wirklich bestellt ist und was das Ganze mit den Polarlichtern zu tun hat, ist gerade Gegenstand der Forschung bei der NASA. Messraketen, die von Spitzbergen aus abgefeuert werden, sollen die Menge des Sauerstoffs ermitteln, die uns täglich auf der sonnenzugewandten Seite der Erde verloren geht. 

Polarlichter sind gar nicht so harmlos

Da Sauerstoff ein relativ schweres Atom beziehungsweise Molekül ist, bleibt es im irdischen Schwerefeld normalerweise an unseren Planeten gebunden. Doch schon in den 1960er Jahren fiel den Wissenschaftlern bei Messungen am oberen Rand der Atmosphäre auf, dass sich dort an der Grenze zum Weltraum weit mehr Sauerstoff aufhält, als es die Theorie voraussagt. Möglich ist dies nur durch Prozesse, die die Sauerstoffteilchen auf ein entsprechend hohes Energieniveau anheben. 

Vor einigen Jahren endlich ist es der Wissenschaft gelungen, das Mysterium zu knacken. Dahinter stecken die Polarlichter, die viele als besonders beeindruckende, wabernde Leuchterscheinungen am Nachthimmel der Polarregionen kennen. Durch die energiereichen Zusammenstöße des Sonnenwindes mit den Teilchen der hohen Atmosphäre werden die Atome angeregt, das heißt, ihre Elektronen erreichen für kurze Zeit ein höheres Energieniveau. In dem Moment, wenn die Elektronen von ihrer höheren Position wieder herunterfallen, werden elektromagnetische Wellen ausgesandt, zum Beispiel im Frequenzband des sichtbaren Polarlichts, aber auch im Infraroten, was als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Auf diese Weise werden dort oben die Sauerstoffteilchen aufgeheizt, das heißt, sie erlangen eine schnellere Bewegung. Es passiert also gerade auf der Nachtseite, wo die Polarlichter große Gasmengen in den Weltraum entweichen lassen. 

Weitere Messraketen sollen mehr Aufschluss bringen

Aber wie verhält es sich auf der Tagseite unserer Erde? Um dies herauszufinden, wurde im Rahmen des VISIONS-2-Projekts in Ny-Älesund auf dem westlichen Spitzbergen eine Messrakete ins Weltall gestartet. In ihrer Mission liegen Messungen der Gaskonzentrationen, der Teilchenstromdichten oder der elektromagnetischen Feldstärken. Mithilfe dieser Daten können die wissenschaftlichen Modellvorstellungen über das Geschehen in der hohen Atmosphäre verifiziert werden. 

Was gerade das unwirtliche Spitzbergen für die Forscher so interessant macht, ist die Tatsache, dass sie sich dort an einer Art polarem Einfallstor für die Feldlinien des Erdmagnetfeldes befinden. In diesem Gebiet können die Teilchen des Sonnenwindes ganz besonders tief in die Atmosphäre eindringen. Dies bedeutet, dass dort auch tagsüber Polarlichter entstehen, wenngleich sie nicht immer so gut zu sehen sind. Die Forscher vermuten nun, dass genau über diese magnetischen Brücken viel Sauerstoff ins Weltall ausgast. Die bereits vorliegenden, ersten Messdaten scheinen diese Vermutung zu bestätigen. Der Ausstrom von Sauerstoffionen insbesondere im Bereich des Scheitelpunktes der Tagseite erfordert weniger Energie und läuft möglicherweise stetiger als auf der Nachtseite ab. 

Diese Forschungen sind von großer Bedeutung und Tragweite, weil die Ergebnisse daraus auch Konsequenzen für unsere Nachbarplaneten sowie für die Erforschung von Exoplaneten haben.