Samstag, 28. Mai 2011

Bleach in the Icelandic Volcanic Cloud

Chlorine in the ash plume of the Icelandic volcano Eyjafjallajökull attacked atmospheric trace gases
One year after the Eyjafjallajökull volcano in Iceland brought European air traffic to a standstill its ash plume revealed a surprising scientific finding: Researchers at the Max Planck Institute for Chemistry in Mainz found that the ash plume contained not only the common volcanic gas sulfur dioxide, but also free chlorine radicals. Chlorine radicals are extremely reactive and even small amounts can have a profound impact on local atmospheric chemistry. The findings, which will be published in “Geophysical Research Letters“ give solid evidence of volcanic plume chlorine radical chemistry and allowed calculations of chlorine radical concentrations.

It has been known for some time that volcanic eruptions emit chlorine-containing gases, causing scientists to suspect that highly reactive chlorine radicals could also be present. However, sufficient experimental evidence proved elusive. That changed when researchers analyzed air collected in the ash cloud emitted by the Eyjafjallajökull volcano. During three special flights conducted by Lufthansa in spring 2010 using the CARIBIC atmospheric measurement container, researchers collected air samples which they brought back to their laboratory in Mainz for analysis. Among the compounds they looked for were hydrocarbons.

”Each volcano has its own character”, says Angela Baker, lead author of the paper. “We found that hydrocarbon concentrations were up to 70% lower inside the Eyjafjallajökull ash cloud than outside. Reaction with chlorine radicals was the only realistic explanation for the hydrocarbon losses. And further investigation confirmed that free chlorine radicals were the cause“. The scientists calculated concentrations of up to 66,000 chlorine atoms per cubic centimeter of air. While modest compared to concentrations of other gases, chlorine radicals are normally absent, and it does not take much of these very reactive atoms to have a noticeable impact on atmospheric chemistry.

Hydrocarbons like propane and butane can be found even in the cleanest and most remote parts of the lower atmosphere. Normally they are removed when they react with hydroxyl radicals, but they react many times faster with chlorine radicals. In doing so the chlorine reactions leave their specific ”signature“ on the mixture of hydrocarbons in the air. This signature can, in turn, be used to calculate how many chlorine radicals were present. The Max Planck scientists who calculated volcanic ash cloud chlorine radical concentrations for the first time anticipate that similar results will be found in plumes from other volcanoes, such as the currently erupting Grimsvötn. They also hope that their method will be used during future studies to identify and understand volcanic chlorine radical chemistry.

About the CARIBIC measurement container
CARIBIC is a unique project based on an airfreight container equipped for extensive global scale atmospheric measurement. The CARIBIC system was developed in Germany in cooperation with ten institutes from six European countries. CARIBIC is being coordinated by the Max Planck Institute for Chemistry in Mainz. The flying laboratory travels each month for four long distance flights aboard the Lufthansa Airbus A340-600 “Leverkusen“.

Outside air containing trace gases and aerosol particles is collected during the entire flight by a dedicated inlet probe underneath the aircraft’s hull and fed into the measurement equipment inside the container. The container was deployed during three special flights to probe parts of the volcanic plume of the Eyjafjallyjökull on Iceland that erupted in April and May 2010.

The equipment in the container detects over 50 different atmospheric species, including greenhouse gases, ozone, CFCs, water vapor and aerosols. The detailed dataset helps to locate sources of air pollution, to find out how air pollution is transported and how the atmosphere cleans itself. In this way, by using in-service passenger aircraft one can obtain a precise picture of the atmosphere’s composition and processes at reasonable cost. CARIBIC is enabled by Lufthansa and sponsored by Frankfurt Airport since 2009.
via Informationsdienst Wissenschaft

Bleichmittel in der isländischen Vulkanwolke

Chlor in der Aschewolke des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull entfernt Spurengase aus der Atmosphäre
Gut ein Jahr nachdem der isländische Vulkan Eyjafjallajökull fast den ganzen europäischen Flugverkehr lahmlegte, sorgt seine Aschewolke für eine interessante Entdeckung: Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie haben festgestellt, dass die Aschewolke des Vulkans neben dem bekannten Vulkangas Schwefeldioxid auch freie Chlorradikale enthielt. Chlorradikale sind äußerst reaktiv und verändern schon in kleinsten Mengen die chemischen Prozesse in der Atmosphäre. Mit Hilfe von Luftproben aus der Vulkanwolke konnte nun erstmals die Konzentration der Chlorradikale in der Aschewolke errechnet werden. Die Ergebnisse wurden jetzt im Journal „Geophysical Research Letters“ veröffentlicht.

Obwohl seit Jahren bekannt ist, dass Vulkanausbrüche große Mengen an Chlorverbindungen freisetzen, blieb der Beweis für die Bildung von höchstreaktiven Chlor-Radikalen aber aus. Das änderte sich, nachdem Forscher Luftproben, die auf Flügen durch die Aschewolke des Vulkans Eyjafjallajökull gesammelt wurden, analysierten. Im letzten Frühjahr war der Mainzer Messcontainer CARIBIC bei drei Sonderflügen der Lufthansa mit an Bord und nahm Luftproben in der Vulkanwolke. Zurück in Mainz wurde die Luft dann unter anderem auf ihren Gehalt an Kohlenwasserstoffen untersucht.

„Jeder Vulkan hat seinen eigenen Charakter“, sagt Angela Baker, Erstautorin der jetzigen Studie. „Beim Eyjafjallajökull haben wir bis zu 70% weniger Kohlenwasserstoffe in der Wolke gefunden als außerhalb. Wissenschaftlich lässt sich das nur dadurch erklären, dass die Kohlenwasserstoffe sofort mit freien Chlorradikalen reagieren, was wir durch weitere Untersuchungen auch bestätigen konnten.“ Die Wissenschaftlerin errechnete hieraus eine Konzentration von bis zu 66.000 Chloratomen pro Kubikzentimeter Luft. Im Vergleich zu anderen Gasen ist diese Menge zwar gering, sie reicht aber aus, um die chemischen Prozesse der Atmosphäre deutlich zu beeinflussen. Denn unter normalen Bedingungen kommen diese höchstreaktiven Chloratome überhaupt nicht vor.

Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Propan und Butan findet man sogar in sehr reinen und weit entfernten Regionen der unteren Erdatmosphäre. Normalerweise werden diese Gase jedoch nach und nach durch Hydroxylradikale abgebaut. Chlor hingegen baut die Kohlenwasserstoffe chemisch um ein Vielfaches schneller ab. Damit hinterlassen die chemischen Reaktionen mit Chlor einen charakteristischen „Fingerabdruck“ in der Luft, aus dem man die Konzentration der Chlorradikale ableiten kann. Die Max-Planck-Forscher rechnen damit, dass man zu ähnlichen Messergebnissen auch bei anderen Vulkanausbrüchen kommt, wie bei dem vor kurzem aktiven isländischen Vulkan Grimsvötn. Außerdem erwarten sie, dass sich ihre Analysemethode zum chemischen Verhalten der Chlorradikale weltweit durchsetzt.

Über den Messcontainer CARIBIC
CARIBIC ist ein einzigartiges Projekt, welches mittels eines Messcontainers weltweit hochgenaue, ausführliche Messungen in der Atmosphäre vornimmt. An dem in Deutschland entwickelten Projekt sind zehn Partner aus fünf europäischen Ländern beteiligt. Koordinator ist das Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz. Das fliegende Labor reist einmal pro Monat auf vier Langstreckenflügen im Frachtraum des A340-600 „Leverkusen“ der Lufthansa mit.

Ein speziell angefertigtes Einlass-System am Flugzeugbauch leitet während des gesamten Fluges Luft- und Teilchenproben an die Instrumente im Inneren des Containers weiter. Der Container flog im Rahmen von drei Sonderflügen durch die Eyjafjalljökull-Aschewolke mit, die beim Ausbruch des isländischen Vulkans im April und Mai 2010 entstand.

Die Geräte im Container messen über 50 Spurengase, wie Treibhausgase, FCKWs, Wasserdampf und Schwebeteilchen in der Atmosphäre. Die detaillierten Daten helfen herauszufinden, wo die Quellen von Verunreinigungen liegen, wie Luftverschmutzung transportiert wird, und wie sich die Atmosphäre selbst reinigt. So ergibt sich durch Nutzung von Verkehrsflugzeugen zu vergleichsweise geringen Kosten auf Dauer ein genaues Abbild der Atmosphäre und der in ihr ablaufenden Prozesse. Gefördert wird das Projekt u.a. von der Lufthansa und seit 2009 auch von der Fraport AG in Frankfurt.

via Informationsdienst Wissenschaft

Pioneer Anomalie entschlüsselt

Geheimnisvolle Positionsabweichungen der Raumsonden Pioneer 10 und 11 nach jahrelanger Forschung aufgeklärt / Forscherteam der Universität Bremen beteiligt
Seit 1979 registriert die NASA eine winzige Abbremsung der Pioneer-Sonden, die im Laufe der Jahrzehnte zu einer Abweichung von der berechneten Flugbahn von mehr als 650.000 km geführt hat. Das faszinierende Phänomen beschäftigte Forschungsgruppen aus aller Welt, deren Lösungsansätze z.B. die Anziehungskraft dunkler Materie einbezogen oder sogar eine Modifizierung des Gravitationsgesetzes.

Seit März 2011 ist es nun nachgewiesen, dass Wärmestrahlung – also elektromagnetische Wellen – für die Abbremsung der beiden Sonden verantwortlich ist. Dabei wurden sowohl die Auswirkungen der direkten Wärmeabstrahlung als auch deren Reflektion an verschiedenen Bauteilen der Sonde mit einbezogen. Eine wichtige Rolle in der Gesamtberechnung spielt dabei die Wärmeabgabe der Atombatterien, die die Zerfallswärme des Plutoniums zum Teil in Elektrizität umwandeln und den Rest in den Weltraum abstrahlen. Zusätzlich gibt der Satellit die von den elektrischen Verbrauchern erzeugte Abwärme ab. Wenn diese Hitzeabstrahlung nicht absolut gleichmäßig in alle Richtungen erfolgt, führt dies bereits zu einem wahrnehmbaren Einfluss auf die Flugbahn.

Bis dieses Ergebnis vorgelegt werden konnte trafen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den USA, Kanada, Frankreich, Norwegen, Italien, Großbritannien, den Niederlanden und Deutschland zum jährlichen Workshop in Bern. Darunter auch das Team von Professor Claus Lämmerzahl vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen.

Das Bremer Team beschäftigt sich seit vier Jahren intensiv mit einer ausführlichen Thermalanalyse der Sonden. Anhand eines detaillierten mathematischen Modells des Satelliten in Kombination mit dem von der NASA bereitgestellten Datenmaterial berechnet ZARM-Mitarbeiter Benny Rievers die Oberflächentemperaturen zu jedem Zeitpunkt der Mission und anschließend die resultierenden Rückstoßkräfte. Dazu war es notwendig, einen speziell angepassten Raytracer (mathematisches Verfahren zur Verfolgung von (Licht-) Strahlen in 3D) zu entwickeln. Basierend auf den Temperaturdaten vom Satelliten unter Berücksichtigung der Reflektionseigenschaften des Oberflächenmaterials, ist der Raytracer in der Lage, die entstehenden Kräfte hochgenau zu berechnen.

Thermale Rückstoßkräfte sind Grund der Anomalie

Bereits 2009 konnte Rievers bestätigen, dass die Thermalstrahlung einen erheblichen Anteil an den Positionsabweichungen der Sonden hat. Im Jahr darauf lieferte eine verbesserte Version des Raytracers und eine detailliertere Modellierung des Satelliten mit einer Genauigkeit von 20 % den Nachweis dafür, dass thermale Rückstoßkräfte Grund der Anomalie sind. Um die Berechnungen weiter zu präzisieren, wurden nun auch der detaillierte Innenaufbau des Satelliten und der Wirkungsgrad der elektrischen Konverter mit einbezogen.

Am 27. März 2011 veröffentlichte ein portugiesisches Team um Frederico Francisco eine Arbeit, in der die obigen Ergebnisse für den letzten Teil der Pioneer-Missionen bestätigt wurden. Sie stützten sich dabei auf ein virtuelles dreidimensionales Computermodell der Satelliten. Jetzt ist eine Arbeit von Benny Rievers und Claus Lämmerzahl in den Annalen der Physik publiziert worden, in der mit ihrem verfeinerten Computermodell der Pioneer-Sonden unter Einbeziehung der Temperaturdaten die gemessene anomale Beschleunigung der komplette Mission vom Start bis heute erklärt werden konnte. Mit dieser Erklärung ist es nun mit größter Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen, dass dieser anomale Effekt Ergebnis einer „neuen Physik“ ist.

Darüber hinaus sind Rievers Berechnungen auf jedes andere Raumfahrzeug übertragbar. So wurde dieses Verfahren auch auf die sogenannte Flyby-Anomalie der Rosetta-Sonde (ein unerklärtes Anwachsen der Geschwindigeit um 3,9 Millimeter pro Sekunde der Rosetta-Sonde beim Vorbeiflug an der Erde) angewendet. Er konnte nachweisen, dass diese Anomalie nicht auf die Auswirkungen von Thermalstrahlung zurück zu führen ist. Damit bleibt die „Flyby-Anomalie“ der Rosetta-Sonde, weiterhin ungeklärt – und damit letztendlich auch die Frage, ob fundamentale Gesetze der Physik möglicherweise doch noch einmal überdacht werden müssen.
Um die thermalen Rückstoßkräfte zu berechnen, müssen zunächst die Gleichgewichtstemperaturen bestimmt werden. Hierzu wird das Raumfahrzeug mittels Finiten Elementen modelliert, wobei Rievers sich - aufgrund der späteren Verwendung des Oberflächenmodells für die Kraftberechnung - auf Hexaeder (für Volumenelemente) und Rechtecke (für Oberflächen) beschränkt. Um die Temperaturen für eine bestimmte Konfiguration (z.B. Zeitpunkt der Mission) zu berechnen, müssen die aktuelle Umgebung und die zu diesem Zeitpunkt gültigen Messdaten als Randbedingungen definiert werden. Nun werden noch Materialeigenschaften zugewiesen, eine steady-state-Analyse durchgeführt und das Oberflächenmodell sowie die Oberflächentemperaturen exportiert. Mit diesen Informationen wird der Raytracer gefüttert, der die resultierende Kraft berechnet. Die Berechnung ist sehr komplex, da unterschiedliche Oberflächen Strahlung austauschen können und hierfür geometrische Sichtfaktoren zwischen allen Modelloberflächen bestimmt werden müssen. Es wurde die 8-Stützstellen Gauss-Integration für vier Dimensionen verwendet, was eine hohe Genauigkeit ermöglicht, jedoch auch eine lange Rechenzeit zur Folge hat.
Die Berechnung der geometrischen Sichtfaktoren für das Pioneer-Modell dauert z.B. auf einem gewöhnlichen 4-Kern Prozessor ungefähr zwei Tage (bei ca. 17.000 Oberflächenelementen und 1.000.000 Strahlen pro Element). Glücklicherweise lässt sich diese Information weiterverwenden für andere Missionszeitpunkte, da sich die Geometrie des Satelliten über die Mission nicht ändert.
So hat man schließlich die Rückstoßkraft für einen Zeitpunkt bestimmt. Für die Berechnung weiterer Konfigurationen, muss man wieder in die FE-Modellierung gehen, die Randbedingungen anpassen, das System erneut lösen, erneut exportieren, erneut in den Raytracer stecken usw. Diese Prozedur wurde vollautomatisiert, so dass es nun möglich ist, die Trajektorie und die gewünschte zeitliche Auflösung anzugeben, die Rechnung zu starten und nach einiger Zeit die Ergebnisse automatisch zu erhalten. Hierfür wurde die ANSYS parametric design language verwendet, so dass die Modellierung als Code erfolgt und nicht in einer grafischen Oberfläche.

Die Ergebnisse wurden veröffentlicht unter:
http://arxiv.org/abs/1104.3985
Ann. Phys. (Berlin) 523 (2011) [6] (DOI: 10.1002/andp.201100081) (11 pp.) ab 27. Mai 2011
High precision thermal modeling of complex systems with application to the flyby and Pioneer anomaly
Benny Rievers and Claus Lämmerzahl.
via Informationsdienst Wissenschaft

Samstag, 14. Mai 2011

Blog-Hiatus

Falls sich jemand über die Ruhe wundert, die zur Zeit auf meinen Blog herrscht. Ich stelle mich gerade beruflich neuen Herausforderungen und da muss die Bloggerei erstmal etwas zurückstehen. Bis dahin werde ich nur am Wochenende und dann nur kurz hier vorbeischauen.
Research Blogging Awards 2010 Winner!
 
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