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Venus Express - Experimente 

VeRa

Bild vergrößernDie neue Bodenstation Cebreros in der Nähe Madrids
©ESA
»Venus Express
Radio Science (Radio Sondierung) untersucht kleine Änderungen in Frequenz (Phase), Amplitude und Polarisation eines Radio-Trägersignals, das von einer Raumsonde ausgesendet, sich im interplanetaren Raum ausbreitet und auf der Erde empfangen wird. Die Änderungen der Parameter des Radiosignals entstehen durch die relative Bewegung zwischen Raumsonde und Bodenstation (Dopplereffekt), durch die Ausbreitung durch neutrale (Planetenatmosphären) und ionisierte Medien (Ionosphären, Sonnenwind und Korona) oder durch Reflexion an Planetenoberflächen. Dieses Experiment an Bord von Venus Express soll Informationen über den Aufbau der Atmosphäre, der Ionosphäre, der Oberflächenbeschaffenheit und von Gravitationsanomalien der Venus liefern. Das Radio Science Experiment VeRa ist mit einem so genannten "ultrastable Oszillator" (USO) ausgestattet.

Dazu werden die X-Band und S-Band Radio-Trägersignale des Satelliten benutzt. VeRa wird dabei die Radioverbindung von Venus Express mit den Bodenstationen New Norcia (in der Nähe von Perth, Australien) und Cebreros (in der Nähe von Madrid), aber auch Bodenstationen der NASA nutzen. Zur Untersuchung der Atmosphäre sowie der Oberflächenbeschaffenheit wird das Transpondersystem des Satelliten im sog. "Einwege-Modus" betrieben und die Frequenzstabilität durch den Quarz-USO an Bord erzeugt.

Bild vergrößernOccultations-Experiment
©Uni Köln/astrolink.de
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Es sind zwei Untersuchungswege möglich: Befindet sich die Venus zwischen Erde und Sonde, so führt der Weg des Signal durch bestimmte Atmosphärenschichten der Venus. Dort wird es durch Ionen und Elektronen in seiner Frequenz, Amplitude und Laufzeit verändert. Dieses Signal wird dann von der Bodenstation empfangen. Da die Modifikation des Signals nur in den Atmosphären, Ionosphären und interplanetarem Plasma stattfindet, kann man durch Herausfiltern des Anteils der Erdatmosphäre und anderer Fehlerquellen wie kosmischem Staub und Effekten der Relativitätstheorie durch einen Vergleich mit dem geeichten Basissignals Rückschlüsse auf die Temperaturverteilung, den Druck, die Dichte der untersuchten Venusatmosphäre und Ionosphäre schließen.

Bild vergrößernBistatisches Radarexperiment
©Uni Köln/astrolink.de
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Die zweite Möglichkeit ergibt sich, wenn Venus Express und Erde sich auf einer Seite befinden. Wird das Radiosignal direkt auf die Venus gerichtet, so wird es von der Oberfläche reflektiert. Mit Hilfe dieses bistatischen Radars kann man Informationen über die Rauhigkeit des Bodens und dessen elektrischen Eigenschaften gewinnen.

Einen weiteren Einsatzbereich gibt es bei der Untersuchung von Gravitationsanomalien (GRVs). Das Gravitationspotential eines Planeten wird durch die räumlichen Verteilung seiner Masse bestimmt. Diese inhomogene Massenverteilung wirkt sich vor allem auf Satelliten aus, die sich auf hoch inklinierten Bahnung um den Planeten bewegen. So erfahren diese auf der Äquatorebene eine stärkere Beschleunigung als bei gleichem Abstand über den Polen. Dadurch wird die Bahn des Satelliten beeinflusst und weicht mit der Zeit immer weiter von den berechenbaren Keplerbahnen ab.

Die Bahnverfolgung mit Hilfe der Zwei-Wege-Radiosondierungsmessung liefert sehr genaue Daten über Entfernung und Geschwindigkeit entlang der Sichtlinie zwischen Bodenstation und Satellit, aus denen die Bahnänderungen verursacht durch Gravitationskräfte untersucht werden können. Aus den Zusammenhängen zwischen Masse und Gravitationskräften lassen sich somit Rückschlüsse auf den inneren Aufbau von Himmelskörpern ziehen. Die Dichteverhältnisse planetarer Körper oder ihrer Monde liefern darüber hinaus wichtige Anhaltspunkte über ihre Zusammensetzung, da diese Parameter stark von Materialeigenschaften abhängen.

Bild vergrößernUntersuchung der Sonnenkorona mit dem "two-way radio link"
©Radio Science Team der Geophysik Köln
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Ein dritter Anwendungsbereich ist die Untersuchung der Sonnenkorona (SCO). Diese ist wegen ihrer geringen Helligkeit von der Erde kaum bzw. nur bei Sonnenfinsternissen zu sehen. Die Korona strahlt große Mengen an Röntgen und ultravioletter Strahlung ab die von der Erdatmosphäre absorbiert werden. Damit beeinflusst die Korona nachhaltig das Klima auf der Erde. Befinden sich die Sonne zwischen Venus und Erde so kann Venus Express genutzt werden, mit Hilfe des Radiosignals die Sonnenkorona zu untersuchen. Dabei ist das Prinzip das gleiche wie bei der Sondierung der Venusatmosphäre. Das von Venus Express abgestrahlte Signal wird von dem heißen Gas der Korona in seiner Frequenz, Laufzeit und Amplitude verändert. Dadurch können folgen Informationen gewonnen werden:
  • Bestimmung des gesamten Elektroneninhalt der Korona in einem Raum von 1 m² Querschnitt des Ausbreitungsweges des Radiosignals
  • Ermittlung des Turbulenzspektrums des Sonnenwindes
  • Identifikation und Ausbreitungsgeschwindigkeiten von koronalen Massenausbrüchen (CME's)


Die meisten anderen Experimente an Bord von Venus Express benötigen die Sonde in der Nadir Position, d.h. sie ist senkrecht auf die Venus gerichtet. Bei den Untersuchungen von VeRa muss die Sonde jedoch Richtung Erde ausgerichtet sein. Dadurch besteht ständiger Kontakt zur Bodenstation, hat aber den Nachteil, dass die anderen Experimente während dieser Zeit pausieren müssen.

VeRa wird mit seinen Untersuchungen eine sehr genaue Analyse der Venusatmosphäre liefern:
  • Untersuchung der Ionosphäre bis zur Ionopause (80 bis 300 km Höhe) auf Elektronendichte, Sonnenwindaktivität und dessen Interaktion mit der Atmosphäre. Dabei liegt die Genauigkeit bei 100 el/cm3 und in der Höhe bei 100 m
  • Sondierung der unteren Atmosphäre und Aufnahme von Dichte, Temperatur und Druck als Funktion der Höhe. Hier liegt die Genauigkeit bei 0,1 K auf Bodenniveau. So sind Vorhersagen über den thermalen Wind auf der Venus möglich.
  • Sondierung der Oberfläche um dielektrische Konstanten und die chemische Zusammensetzung des Bodens zu bestimmen
  • Studien der koronalen Struktur der Sonne und daraus folgenden Turbulenzen des Sonnenwindes





 
 
 
 

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22.02.2015

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Autor dieses Artikels:  Prof. Dr. Bruno Deiss

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