Die Erdatmosphäre setzt sich aus Stickstoff (78 %), Sauerstoff (21 %) und weiteren Gasen (1 %) zusammen. Dabei treten diese in unterschiedlichsten Konzentrationen in den einzelnen Atmosphärenschichten auf. Eine oft verwendete Gliederung dieser gasförmigen Schichten basiert auf den vorherrschenden Temperaturen und der chemischen Zusammensetzung.
Die erdnächste Schicht ist die Troposphäre, welche sich von der Erdoberfläche bis auf ungefähr 8 km in den Polarregionen und 15 km in Äquatornähe erstreckt. Von der Gesamtmasse der Erdatmosphäre (5.1 x10^18 kg) entfallen ungefähr 90 % bereits auf diese Schicht. Der Temperaturverlauf kann innerhalb der Troposphäre als linear beschrieben werden. Pro Kilometer kommt es zu einer Abkühlung von ungefähr 6.5 Grad Celsius (°C). Für die Satellitengeodäsie ist diese Region von Interesse da Signale von und zu Satelliten eine Laufzeitverzögerung erfahren, welche bei der Positionsbestimmung berücksichtigt werden muss. In der nächsthöheren Schicht der Stratosphäre (bis ~50 km) kommt es zu einer Umkehr im Temperaturverlauf. Aufgrund der Absorption von UV-Strahlung durch Ozon- und Sauerstoffmoleküle kommt es zu einer Erwärmung auf 0 °C. In der Mesosphäre (50 - 85 km) sinkt die Temperatur wieder auf etwa -100 °C ab. Verantwortlich dafür ist die abnehmende Absorption der Sonnenstrahlung und die ansteigende Abkühlung durch erhöhten CO2-Gehalt.
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| Bild 1: Aufbau der Erdatmosphäre in Abhängigkeit von der Temperatur. | Bild 2: Temperatur- und Dichteverlauf (0 - -500 km) in Abhängigkeit von der Sonnenaktivität. Zu beachten das der Dichteverlauf dabei logarithmisch gegeben ist. |
Für die Satellitengeodäsie von speziellem Interesse ist die Thermosphäre (85 – 600 km) da sie Heimat vieler niedrigfliegender Forschungssatelliten ist. Die obere Grenze der Thermosphäre ist durch die Exobase definiert. Sie bildet den Übergang zur letzten Schicht der Exosphäre und ist durch die Abhängigkeit von der Sonnenaktivität stark variable. Eingebunden in die Thermosphäre ist auch die Ionosphäre (50 – 500 km), welche durch Sonnenstrahlung ionisierte Gase beinhaltet. Bei eintreffenden Sonnenstürmen können diese Gase zum Auftreten von Polarlichtern führen. In der Thermosphäre nehmen die Temperaturen sehr rasch zu und erreichen Werte von über 1500 °C. Zeitgleich nimmt die Dichte der Atmosphäre mit zunehmender Höher exponentiell ab. Dieses Verhalten ist für die Planung von Satellitenmissionen von entscheidender Bedeutung da eine niedrigere Flughöhe steigenden Luftwiderstand und eine erhöhte Erdanziehungskraft bedeutet. Treffen starke Sonnenstürme auf die Erde kann dies geomagnetischen Stürme auslösen. Die dabei entstehende erhöhte Energiezufuhr in Form von hochenergetischem Teilchen und Joule heating (erzeugte Wärme bei Durchgang eines elektrischen Stromes durch leitendes Material) führt zu einer Aufheizung und Ausdehnung der gesamten Erdatmosphäre. Für Satelliten bedeutet dies, dass sie unerwartet durch dichtere Luftschichten fliegen und dadurch einem erhöhten Widerstand ausgesetzt sind. Als Folgeerscheinung kommt es zu einem Höhenverlust der Satelliten (orbit decay). Je tiefer ein Satellit dabei positioniert ist desto stärker sind die Effekte aufgrund der veränderten Atmosphärendichte. Auf einer Flughöhe von 400 km kann ein einzelnes, starkes Sonnenevent ein Absinken von mehr als 100 m hervorrufen. Speziell in Zeiten erhöhter Sonnenaktivität müssen Weltraumorganisationen diese Effekte im Augen behalten um ein zu starkes Absinken der Satelliten entgegenwirken. Aus diesem Grund hat im Juli 2022 die europäische Weltraumorganisation ESA zum Beispiel ihre Swarm Satelliten Alpha und Charlie um 45 km angehoben. Dies ermöglicht der Mission ein sicheres Manövrieren durch den aktuellen Sonnenzyklus 25 (Weblink siehe unten).
Durch die Kooperation zwischen der Universität Graz und der Technischen Universität Graz konnte kürzlich das Vorhersage Tool SODA (Satellite Orbit DecAy) entwickelt und vorgestellt werden. Damit ist es möglich eine Prädiktion des zu erwartenden Höhenverlustes für Satelliten (Normhöhe: 490 km), mit einer Vorlaufzeit von 15 Stunden, zu machen.