Die obere Erdatmosphäre ist ein empfindlicher Explosionsdetektor

Wissenschaftler haben die Welleneffekte kleiner bodennaher Explosionen in 100 Kilometern Höhe in ionisierten Schichten der oberen Atmosphäre entdeckt. Das Ergebnis legt nahe, dass die Fernerkundungstechnik zur Überwachung explosiver Ereignisse – natürlicher oder menschlicher Art – eingesetzt werden könnte, die hundertmal kleiner sind als zuvor. „Es war eine große Überraschung für mich“, sagt Jihye Park, ein geodätischer Wissenschaftler an der Oregon State University, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Es ist wirklich klug.“

Der ionisierte Bereich der Atmosphäre oder Ionosphäre ist vor allem als Heimat der Polarlichter bekannt, die entstehen, wenn geladene Teilchen von der Sonne auf Atome prallen und diese zum Leuchten bringen. Aber auch gewaltige Explosionen, die von unten heraufprallen, können die Ionosphäre stören. Im Jahr 2022 erzeugte der Vulkanausbruch Hunga Tonga-Hunga Ha'apai im Südpazifik Wellen in der Ionosphäre, die Tausende von Kilometern entfernt entdeckt wurden. Im Jahr 1979 wurde eine ionosphärische Störung im Zusammenhang mit einem mutmaßlichen israelisch-südafrikanischen Atomtest vom inzwischen nicht mehr existierenden Arecibo-Radioteleskop in Puerto Rico entdeckt.

Beide Explosionen lösen Infraschallwellen aus, deren Tonhöhe für das menschliche Gehör zu niedrig ist, die sich über große Entfernungen ausbreiten und Vibrationen in der Ionosphäre verursachen können. Radarstrahlen, die so eingestellt sind, dass sie von den geladenen Teilchen der Ionosphäre abprallen, entdeckten die vibrierenden Schichten.

Die Technik war jedoch größtenteils auf Explosionen mit einer Stärke von mehr als einer Kilotonne TNT beschränkt. (Die Atombombe, die 1945 auf Hiroshima, Japan, abgeworfen wurde, hatte eine Sprengkraft von etwa 15 Kilotonnen.) Jetzt berichten Forscher, dass sie experimentelle Explosionen von nur 1 Tonne TNT erfolgreich nachgewiesen haben. „Wir können diese Ereignisse nicht nur sehen, sie sind auch viel klarer als ich erwartet hatte“, sagt Kenneth Obenberger, ein Physiker am Air Force Research Laboratory, der die Studie leitete. Die Ergebnisse wurden diesen Monat in der Zeitschrift Earth and Space Science veröffentlicht.

Obenberger und seine Kollegen machten sich auf den Weg, um die Auswirkungen zweier 1-Tonnen-Explosionen zu beobachten, die im März 2022 in New Mexico ausgelöst wurden. Die Radardetektoren des Teams wurden entwickelt, um die Wellen zu messen, die von der E-Schicht der Ionosphäre, einer Region in 100 Kilometern Höhe, reflektiert werden. Sie entdeckten Anzeichen jeder Explosion weniger als 6 Minuten nach den Detonationen.

Obenberger sagt, die Technik könnte zur Überwachung kleiner, von Menschen verursachter Explosionen oder sogar entfernter Vulkanausbrüche im Pazifik eingesetzt werden, die sonst schwer zu erkennen wären. Er sagt, die Abgeschiedenheit der Ionosphäre erkläre, warum die Technik erst jetzt ihr Potenzial entfalte. „Sie senden eine Schockwelle durch das, was wir ‚Ignorosphäre‘ nennen“, sagt er.

Park sagt, dass die verbesserte Auflösung der Technik es einfacher machen würde, ionosphärische Störungen zu erkennen, die nicht nur mit Vulkanausbrüchen, sondern auch mit Erdbeben verbunden sind, die Tsunamis, Erdrutsche und andere Katastrophen auslösen können. „Man könnte es für ein Frühwarnsystem wie ein Tsunami-Warnsystem verwenden“, sagt Park, der globale Positionierungssatelliten verwendet hat, um ionosphärische Störungen durch nordkoreanische Atomtests und andere Ereignisse zu erkennen.

Eine weitere mögliche Verwendung könnte in der Planetenwissenschaft liegen. Auf Welten wie der Venus, wo dicke Wolken die Oberfläche verdecken, könnte ein Ionosphärenradar auf einem umlaufenden Raumschiff unsichtbare Eruptionen und Erdbeben aus der Ferne erkennen, sagt Obenberger.

Angesichts der jüngsten Entdeckung vulkanischer Aktivität auf der Venus, die im März bekannt gegeben wurde, „könnten wir kleinere Ereignisse erleben“, sagt Paul Byrne, ein Planetenwissenschaftler an der Washington University in St. Louis. „Ich hoffe, dass die Ingenieure von Raumfahrzeugen genau so etwas in künftige Missionen integrieren werden.“

Obenberger möchte die Forschung vorerst auf der Erde belassen. Er plant, den Ansatz zu verschiedenen Jahreszeiten zu testen, da sich die Ionosphäre im Laufe des Jahres verschiebt. „Das andere, was ich unbedingt machen möchte, ist, es neben einem Vulkan aufzustellen“, sagt er. „Das würde wirklich Spaß machen.“