Nachdem neben den USA und der UdSSR auch andere Länder Satelliten in Umlaufbahnen gesetzt hatten, begann man um 1960 auch in der Bundesrepublik mit Vorbereitungen für ein eigenes Satelliten-Unternehmen, das in Zusammenarbeit mit der amerikanischen NASA realisiert werden sollte. Es hatten damals nur wenige Gruppen, und nur mit Experimenten in Höhen-Forschungsraketen einschlägige Erfahrung. Aus eingereichten Experimentvorschlägen wurde ein 'Paket' geschnürt. Die möglichen Experimentatoren reisten damit nach den USA. Nach einem Flug mit beträchtlichen Hindernissen kamen wir erst lange nach Mitternacht ins Quartier, wurden früh geweckt und mussten uns reichlich unausgeschlafen der Kritik unserer Kollegen vom GSFC stellen. Sie war vernichtend. Die meisten Vorschläge wurden als unausgegoren bezeichnet: das Gesamtkonzept sei in sich nicht kohärent und mit dem vorgesehenen Träger (Seoul) technisch undurchführbar.

In der Folge wurden zunächst zwei Beladungen für einfache Missionen zusammengestellt, die dann mit Hilfe der amerikanischen NASA auf dem Satelliten AZUR bzw. des französischen Pendants, CNES, auf DIAL in ihre Umlaufbahnen gebracht werden konnten. Bei AZUR funktionierten zwar die Experimente, aber nicht der Missionsablauf: wegen ungeeigneter Kodierung der Kommandoübermittelung setzten starke Radarstationen den Satelliten während fast jeden Umlaufs in einen anderen Betriebszustand; ausserdem war wegen Ausfalls der Bandgeräte an Bord die Datenausbeute weit geringer als erhofft. DIAL war nur für eine kurze Missionsdauer angelegt.

Missionsplan

Für den nächsten deutschen Satelliten AEROS wurde dann ein in sich geschlossenes wissenschaftliches Konzept erarbeitet. Die Mission war klar auf damals offene Probleme der Aeronomie der Ionosphäre abgestellt: einerseits sollte die wichtigste Ursache der aeronomischen Prozesse quantitativ bestimmt werden, nämlich, spektroskopisch sauber aufgelöst, die Sonneneinstrahlung im extremen Ultraviolett (EUV), andererseits deren Wirkungen auf Dichten und Temperaturen der neutralen und ionisierten Konstituenten des ionosphärischen Plasmas. Eine Umlaufbahn mit einem Apogäum von etwa 7000 km und dem niedrigsten technisch möglichen Perigäum war erwünscht: realisiert wurden 6900 bzw. 220 km. Die in Ortszeit stabil gehaltene Bahn wurde auf 15 und 03 h eingestellt, um entscheidende Punkte des Tagesgangs zu erfassen.

Ich leitete damals das Projekt "International Reference Ionosphere" (IRI) von COSPAR/URSI (Commitee on Space Research / Union Radioscientifique Internationale) und brachte in das Konzept Probleme ein, die dort aktuell 'auf den Nägeln brannten'. Das betraf vor allem eine zuverlässige Bestimmung der Elektronen- und Ionen-Temperaturen, denn damals lagen Satellitendaten weit höher als die von erdgebundenen 'incoherent scatter' Experimenten. Bestimmungen von positiven Ionen waren bislang nur als Partial-Dichten ausgegeben worden, ohne gleichzeitige Kenntnis der Plasma-Gesamtdichte. Für IRI waren diese Daten schlicht unbrauchbar.

Die Aufgabenstellung legte es nahe, die Mission nicht als ein Bündel einzelner Experimente zu betrachten, sondern als kooperatives Unternehmen mit 'integrierter Auswertung'. Nur durch kritischen Vergleich der verschiedenen Techniken und ihrer Ergebnisse konnte die geforderte Zuverlässigkeit der Aussagen erreicht werden. Für den einzelnen Experimentator bedeutete diese Kooperation einen Verzicht auf volle Unabhängigkeit und Selbständigkeit bei Auswertung und Veröffentlichung, was den Beteiligten hoch anzurechnen ist. Unser Erfolg war aller Lohn.

Die Experimente

AEROS (Abb.1) führte fünf Experimente an Bord:

EUV - Spektrometer zur Messung der solaren Einstrahlung (G. Schmidtke, Fraunhofer-Institut für physikalische Weltraumforschung, Freiburg),

NIMS - Neutral- und Ionen-Massenspektrometer (D. Krankowski u. P. Lämmerzahl, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg),

NATE - kinetische Messung der Neutraltemperatur bzw. Dichte (N.W. Spencer u. G.R. Carignan, NASA GSFC Greenbelt Md.),

RPA (deutsch GSA) - Dichten und kinetische Temperaturen von Elektronen und Ionen (K. Spenner u. A. Dumbs, Fraunhofer-Institut für physikalische Weltraumforschung, Freiburg),

IP - Elektronendichte (hoch aufgelöst) (E. Neske u. R. Kist, Fraunhofer-Institut für physikalische Weltraumforschung, Freiburg).

Die Bahnbestimmungen der Bodenstationen ermöglichten ein sechstes Experiment:

ADA - totale Gasdichte im Perigäum (M. Roemer, Astronomisches Institut der Universität Bonn).

EUV-Spektrometer (EUV)

Weil das Sonnenlicht in Erdnähe nahezu kollimiert ist, baute Hinteregger ein Sonnen-Spektrometer ohne Eingangsspalt, das hohe Empfindlichkeit auch bei schwacher Strahlung erreichte. An einem Plangitter wird das Sonnenlicht spektral zerlegt, die Wellenlänge mit einem um die Gitterachse drehbaren Kollimator (mechanisches Beugungsfilter) eingestellt; ein magneto-elektrostatischer, offener Multiplier (mit vielen Elektroden) misst die Intensität.

Auf AEROS flogen je zwei solcher Spektrometer für die Wellenlängenbereiche 57 bis 16 bzw. 106 bis 31 nm. Die optische Achse wurde parallel zu der auf die Sonne ausgerichteten Rotationsachse des Satelliten montiert. Für aeronomische Zwecke war die so erreichte Auflösung ausreichend; wichtiger war, dass die Intensitäten absolut gemessen wurden. Das erwies sieh als besonders schwierig, weil, wie die Eichung zeigte, die Empfindlichkeit der Multiplier im Weltraum individuell verschieden abnahm und ausserdem von der Temperatur des Instruments abhängig war. Deshalb wurde in einem regelmässig geschalteten Eichmodus eine 64 keV Betastrahlungsquelle auf den Multiplier gerichtet. Wichtig war auch, dass (in der Ionosphäre immer vorhandene) freie Ladungen durch entsprechend aufgeladene Gitter vom Eingang des Instruments ferngehalten wurden.

Neutralteilchen-Experimente (NIMS. NATE, ADA, auch EUV)

Die Ergebnisse dieser Experimente ergänzten sich wechselseitig, so dass alle zusammen eine aeronomisch ausreichende Beschreibung des Neutralgases ermöglichten.

NIMS war ein Massenspektrometer. Im Neutralmodus wurde im halboffenen Eingangsbereich das Neutralgas mit 75-eV-Elektronen beschossen; in einem Quadrupol-Massenfilter wurden die so erzeugten Ionen durch Variation der Amplituden der Gleich- und Hochfrequenz-Spannungen nach ihrem e/m-Wert analysiert. Das Auffangsystem, bestehend aus Sekundärelektronenvervielfacher und Elektrometer, hatte eine logarithmische Kennlinie, so dass der Messbereich mehr als 6 Dekaden betrug. Ein ersatzweise einschaltbarer linearer Verstärker erlaubte es, die im Lauf der Mission veränderliche Empfindlichkeit des Vervielfachers nachzueichen. Reaktive Gase wie O und N werden an den Wänden des Eingangsbereichs umgewandelt, so dass atomarer Sauerstoff in molekularen und atomarer Stickstoff in NO umgewandelt werden. Im Höhenbereich der Satellitenbahn sind die geringen direkten Anteile dieser Moleküle deshalb nicht messbar, während die der umgewandelten Rückschlüsse auf die atomaren erlauben. So konnten He, Ar, N, O sowie molekularer Stickstoff gemessen werden.

NATE mass über die Randunschärfe des 'Schattens' einer scharfen Kante, der ein festeingestelltes Massenspektrometer nachgeschaltet war, die kinetische Temperatur eines bestimmten Gases (meist von molekularem Stickstoff). Die Messung war unterhalb von 300 km möglich, sofern die Anströmung in einem geeigneten Winkelbereich lag. In der A-Mission war, wegen einer Störung der Spin-Synchronisierung, eine Temperaturmessung unmöglich. Dafür wurden die Dichten von He, Ar und O gemessen.

ADA benutzte Bahndaten, die aus Beobachtungen der NASA und der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DFVLR) bestimmt waren, zur Berechnung der Abbremsung und daraus der Perigäumsdichte; der variable Anstellwinkel wurde berücksichtigt.

EUV lieferte einen unabhängigen Beitrag; aus der höhenabhängigen Intensität geeigneter Spektralinien wurde über deren Absorption ein Höhenprofil des atomaren Sauerstoffs gewonnen.

Plasma-Experimente (RPA, IP, NIMS)

Diese drei Experimente lieferten die wichtigsten Plasmaparameter: Plasmadichte, Temperaturen (Elektronen und positive Ionen) und die prozentuale chemische Zusammensetzung der Ionen. Redundante Messungen erlaubten eine wechselseitige Eich- und Funktionskontrolle, die in früheren Missionen meist unterblieben war. Die AEROS-Experimentatoren mussten ihre Eichungen ggf. korrigieren, wodurch eine höhere Absolutgenauigkeit erreicht wurde.

RPA war ein planarer Teilchenempfänger, der mit variabler, positiver bzw. negativer Gegenspannung die Strom-Spannungs-Kurve abwechselnd für Ionen bzw. Elektronen mass. Diese Kurve wurde Punkt für Punkt aufgezeichnet. Das erwies sich als sehr vorteilhaft, weil so einerseits Irrtümer durch wechselnde Aufladung des Satelliten ausgeschaltet und andererseits Abweichungen der Elektronenpopulation vom thermischen Gleichgewicht (suprathermische Populationen) erfasst werden konnten. Ein Schutzring sollte unerwünschte Abweichungen der Teilchenbewegung vom achsparallelen Verlauf verhindern.

Im Elektronenmodus ist die Geschwindigkeit des Fahrzeugs klein gegen die thermische Bewegung, so dass die Energieverteilung der eintretenden Elektronen etwa einer halben Maxwellverteilung entspricht. Die (halb-logarithmische) Charakteristik zeigt deshalb einen linearen Bereich, aus dessen Steigung die Temperatur bestimmt werden kann. Aus dem Sättigungsstrom (bei niedrigster Gegenspannung) wurde die Elektronendichte bestimmt. Ein flacher Abfall oberhalb dieses thermischen Bereichs zeigt eine suprathermische Population an. Im Ionenmodus dagegen ist das Fahrzeug weit schneller als der Schall. Die kinetische Energie eines Ions im Instrument ist durch seine Masse und die Fahrzeuggeschwindigkeit gegeben. Die Charakteristik ist eine Stufenkurve, die Lage jeder Stufe gibt die Energie, während die Stufenhöhe den Anteil der betreffenden Population anzeigt. Aus der Neigung des Abfalls kann eventuell noch die Ionentemperatur erhalten werden. Auch hier gibt der Sättigungsstrom die Plasmadichte, die mit der aus dem Elektronenmodus übereinstimmen sollte.

NIMS war ein Massenspektrometer, das im Ionenmodus ohne Ionisierungs-Anordnumg, aber mit entsprechenden Blendenpotentialen betrieben wurde. Dabei spielt der (variable) Winkel zwischen Instrumentenachse und Anströmung eine wesentliche Rolle. Für H⁺- und He⁺-Ionen war wegen ihrer grösseren thermischen Geschwindigkeit dieses Problem weniger kritisch. Darin konnte NIMS die Ionen-Messungen des RPA vorteilhaft ergänzen.

IP benutzte ein ganz anderes Messprinzip, nämlich die Frequenzabhängigkeit der diëlektrischen Suszeptibilität des Plasmas. Es wurde, in Abhängigkeit der Frequenz, die Impedanz einer Antenne im Plasma (genauer: deren Phase) gemessen. Aus dabei auftretenden Resonanzen wird u.a. die 'obere Hybrid-Frequenz' erhalten. Sie ist nur von Elektronendichte und Erdmagnetfeld abhängig, nicht von der Elektronentemperatur. Die Methode bestimmt die absolute Elektronendichte schnell und recht exakt. Verglichen mit den Teilchenexperimenten ist der räumliche Messbereich des EP besser definiert (entsprechend der Ausdehnung des Antennenfeldes); auch die Eichung ist bei IP zuverlässiger. So wurden IP-Ergebnisse von NIMS benutzt, um die Totaldichte der Ionen zu eichen. Für RPA konnte darüber hinaus auch der Einfluss der Sensorrichtung gegen das Magnetfeld erfasst werden. RPA und NIMS ergänzten sich, weil RPA geringere Populationen nicht wahrnahm, aber die Dichte der wichtigsten korrekt mass.

Missionsablauf

Die Mission von AEROS-A dauerte vom 16. Dez. 1972 bis zum 22. Aug. 1973. Das Experiment IP fiel aus, weil es nicht gelang, die Messantenne auszufahren. Da beim Ausfahren ein Gegengewicht abgeworfen wurde, war die Rotationsachse von der Figurenachse ein wenig verschieden. Die EUV-Auswertung bemerkte das, sie konnte sogar die Ablage ermitteln. NATE mass die Dichte von vier Ionensorten. In der zweiten Mission, AEROS-B, funktionierten alle Experimente; NATE mass Stickstoff-Temperaturen. Diese Mission dauerte vom 16. Juli 1974 bis zum 25. Sept. 1975.

Ergebnisübersicht

- AEROS-A war der erste "aeronomische" Satellit, in dem Sinne, dass neben Dichte und Temperaturen der neutralen und ionisierten Konstituenten auch die solare EUV-Strahlung quantitativ erfasst wurde (Abb. 2).

- Durch Nacheichung im Flug gelang erstmals eine längere Messreihe des solaren EUV-Spektrums mit absoluten Intensitäten. Diese Daten wurden in internationale Modelle eingearbeitet.

- Durch redundante Messung und internen kritischen Vergleich konnten die wichtigsten Zustandsgrössen der neutralen und ionisierten Atmosphäre gemeinsam und zuverlässig bestimmt werden.

- Auf AEROS-B wurde erstmals in der hohen Atmosphäre die Neutral-Temperatur kinetisch gemessen.

- Die absolute Dichtebestimmung des atomaren Stickstoffs erlaubte Verifikationen aeronomischer Theorien und Modelle.

- Gemessene Partialdichten von He, Ar, N, O und N2 wurden in internationale Atmosphärenmodelle eingearbeitet.

- Erstmals gelang eine thermodynamische Beschreibung des ionosphärischen Plasmas. Massgeblich dafür waren zuverlässige, gleichzeitige Messungen von Plasmadichte, kinetischen Temperaturen (Elektronen und Ionen) und Ionen-Partialdichten, die - wesentlich für Modelle - erstmals relativ zur Plasma-Gesamtdichte ausgegeben werden konnten.

- Erstmals wurde die suprathermische Elektronenpopulation erfasst. Sie nimmt in den Polkappen und bei Ionosphärenstürmen ganz erheblich zu.

- Die Plasmamesswerte, insbesondere Elektronen- und Ionen-Temperaturen und Zusammensetzung der Ionen, haben einen wesentlichen Beitrag zur Internationalen Referenz-Ionosphäre geliefert.

Während das langfristige Verhalten der atmosphärischen Daten mit der solaren EUV Strahlung korreliert ist, sind die kurzzeitigen Schwankungen der atmosphärischen Zustandsgrössen nicht unmittelbar deren Fluktuationen zuzuordnen, weil komplizierte atmosphärische Phänomene zusätzlich einwirken.

Vergleiche mit anderen Daten

Nach Ablauf der A-Mission wurden auch andere Satelliten mit aeronomischer Zielsetzung gestartet, die wenigstens einige vergleichbare Messungen ausführten. Mit AEROS-B waren die Satelliten AE-C, ISIS-2, San Marco 4, S3-1 und TAYO zumindest zeitweise im Umlauf und lieferten vergleichbare Daten, vor allem die amerikanischen ISIS-2 und S3-1 und der japanische TAYO sind hervorzuheben. Für Bahnkreuzungen mit ISIS-2, meist in hoher Breite, wurden Plasmadichten verglichen und sowohl untereinander als auch mit Ionosondenmessungen am Boden so gut übereinstimmend gefunden, wie bei den örtlichen und zeitlichen Differenzen in hoher Breite erwartet werden konnte. Beim Vergleich mit Elektronendichten von TAYO, der eine stärker exzentrische Bahn hatte, wurden Gradienten in der Oberseite des Ionosphären-Profils bestimmt. Bestens für Vergleiche geeignet waren Kreuzungen von IP mit S3-1; hier lag die Differenz der Elektronendichten bei nur ±10%. Anders, nämlich vom Boden aus mit 'inkohärenter Streuung' (IS), gemessenene ionosphärische Temperaturen wurden auch verglichen. Dabei ergab sich eine Übereinstimmung von in-situ- und IS-Daten (Abb. 3 und 4), was in früheren Missionen nie erreicht worden war.

Globale Ergebnisse

Die solare EUV-Strahlung, erstmals mit laufender Nacheichung in 42 Unterbereichen gemessen, konnte für aktuelle, quantitative agronomische Berechnungen herangezogen werden. Im zeitlichen Verhalten unterschieden sich Korona-Emissionen hochionisierter Atome (Abb. 2) deutlich von denen aus niedrigeren Schichten.

Ein Modell der neutralen Atmosphäre wurde aus der Gesamtheit der gut übereinstimmenden O-Daten von NATE, NIMS und EUV, den N2-Daten von NATE und den Perigäumsdichten von ADA nach einem Kugelfunktionsalgorithmus erstellt, gültig für minimale solare Aktivität (1973). Aus N2-Daten wurden Exosphären-Temperaturen ermittelt. Bei magnetischen Störungen treten unregelmässig kräftige Erhöhungen in hohen Breiten auf (Abb. 5).

Für die Dichte des atomaren Stickstoffs wurde aus NIMS-Daten von AEROS-B ein Modell erstellt, das die bei Tag und Nacht sehr unterschiedliche Abhängigkeit von der Breite zeigt (Abb. 6).

Die Plasmadichte ist stark abhängig vom Magnetfeld. Für Ausbreitungsvorhersagen von Radiowellen benutzt man eine Koordinate, die im Äquatorbereich dem realen Magnetfeld angepasst ist, den "MODIP". Das weltweite Modell des Comité Consultatif International des Radiocommunications (CCIR) für die Elektronendichte im Gipfel der Ionosphäre beruht auf Sondierungen an vielen, leider ungleichmässig verteilten Stationen (Option in IRI). Beiderseits des Perigäums, Abb. 7, schneidet die Bahn das Gipfel-Niveau. Nach Umrechnung der AEROS-B (IP) Daten auf den Gipfel konnten Vergleiche mit dem Modell des CCIR erhalten werden (Abb. 8). Sie zeigen starke Abweichungen vom Modell in den Längenbereichen, wo die Belegung mit Ionosondenstationen unzureichend war.

Das für die Funkortung wichtige Elektronendichteprofil konnte mit Modellen verglichen werden. Die Breitenabhängigkeit der Höhe des Ionisationsmaximums ist dabei wesentlich. Verschiedenste Formeln sind im Umlauf; durch Vergleich bei Gipfelpassagen konnte zwischen ihnen entschieden werden (Abb. 9).

Die chemische Zusammensetzung der Ionen hat vor allem aeronomisches Interesse. IRI (Internationale Referenz-Ionosphäre) fordert relative Partialdichten (gegen gesamte Plasmadichte). Entsprechende RPA Daten sind sofort in die IRI eingebaut worden, sie gelten noch heute als Basisdaten. Abb. 10 zeigt die wichtigsten Spezies in Abhängigkeit von der Höhe.

Zur Elektronen-Temperatur wurden umfangreiche, von RPA gewonnene Daten in einem analytischen Modell zusammengefasst, das ebenfalls in den entsprechenden IRI-Code eingegangen ist. Die monatliche Streuung der Messwerte an festem Ort zeigt Abb. 11, ebenso starke Abweichungen an magnetisch gestörten Tagen!

Besonderes Interesse verdienen suprathermische Elektronen, deren Flüsse von RPA in Energiestufen bis 24 eV gemessen wurden (s. Abb. 12). In mittleren und niederen Breiten entsteht diese Population in erster Linie durch Degradation von Photoelektronen. In magnetisch hohen Breiten kommt korpuskulare Erzeugung hinzu. Zeitliche Änderungen sind erheblich.

Lokale Phänomene

Die hohe Atmosphäre unterliegt einerseits den Einflüssen solarer Einstrahlung, andererseits irdischen Einwirkungen, z.B. dem Magnetfeld, ganz besonders in der Ionosphäre. Lokale Anomalien treten vor allem am magnetischen Äquator und in den Polargebieten auf. Am Rande der Polkappen ist die Breitenabhängigkeit nahezu unstetig: bei Tag bildet sich eine 'Kluft' aus, bei Nacht der sog. Trog1. Beide Phänomene wurden in Elektronendichte von IP, in Dichte und Temperatur von RPA häufig erfasst. Die Lage des Trogs hängt vom magnetischen Störungsgrad (Kp) ab. In Abb. 13 (IP-Daten) ist diese Abhängigkeit dargestellt und eine gegen frühere Veröffentlichungen verbesserte Formel angegeben.

Ereignisse

Während der beiden Missionen wurden häufig Abweichungen vom normalen Verhalten beobachtet, z.B. solare Eruptionen (Abb. 14) und deren Folgen, magnetische Störungen usw. Dank der für damalige Verhältnisse schnellen Messfolge von IP konnten in der B-Mission auch räumliche Fluktuationen in der Elektronendichte erfasst werden. Sie sind wohl hauptsächlich Schwerewellen zuzuschreiben. Abb. 15 zeigt in der F-Region beobachtete Spektren in einem mittleren Breitenbereich.

Dank integrierter Auswertung haben die beiden AEROS-Missionen eine Fülle zuverlässiger und aeronomisch interessanter Ergebnisse erzielt. Sehr viele sind in deskriptive atmosphärisch-ionosphärische Modelle eingegangen, z.B. Köhnlein (1984). Besonders hilfreich waren ionosphärische AEROS-Ergebnisse für das COSPAR/URSI-Projekt "International Reference Ionosphäre", s. Bilitza (1990), dem letzten gedruckten Bericht, jetzt ersetzt durch einen Rechner-Code im amerikanischen NSI-DECnet. Die aeronomische Berechnung der atmosphärisch-ionosphärischen Daten aus den beobachteten EUV-Intensitäten (Roble u. Schmidtke 1979) konnte stärkere Fluktuationen der atmosphärischen Daten nicht erklären, obwohl vergleichbare Mittelwerte erhalten wurden.

Literatur
Das AEROS-Projekt hat zu etwa 100 wissenschaftlichen Veröffentlichungen geführt; eine bis 1979 vollständige Liste findet sich in Lämmerzahl et al. (1979). Im vorliegenden Text wurde auf eine vollständige Auflistung verzichtet.
Bilitza, D. (1990): International Reference Ionosphere 1990. - Science Applications Research Lanham Md. (NSSDC / WDC-A Ru.S).
Köhnlein, W. (1984): A Model of the Geo-Ionosphere. - Bonn (Astronomisches Institut der Universität).
Lämmerzahl, P., K. Rawer u. M. Römer (1979): Ergebnisse des AEROS-Satellitenprogramms. - Heidelberg (Max-Planck-Institut für Kernphysik).
Roble, R.G. u. G. Schmidtke (1979): J. Atmos. Terr. Phys. 41: 153.