Mit dem Terahertz-Spektrometer GREAT an Bord von SOFIA sind erstmals spektral hochaufgelöste direkte Messungen der Konzentration von atomarem Sauerstoff in der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre möglich. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und der Universität zu Köln untersuchten einen neuen Ansatz für die direkte Messung im Terahertzbereich und bereiten damit den Weg zur Entwicklung künftiger Weltrauminstrumente. Die Ergebnisse wurden nun im Nature Journal "Communications Earth & Environment" veröffentlicht.
Atomarer Sauerstoff gehört zu den Hauptbestandteilen der Mesosphäre, der mittleren der fünf Schichten der Erdatmosphäre und dem unteren Bereich der Thermosphäre. Dieser Bereich erstreckt sich in einer Höhe von etwa 80 bis über 300 Kilometern. Dort regelt der Sauerstoffanteil unter anderem photochemische Prozesse, den Energiehaushalt und ist ein wichtiger Indikator für dynamische Bewegungen der Atmosphäre. Mit dem Terahertz-Spektrometer GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) an Bord von SOFIA (Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) konnte nun erstmals direkt und spektral hochaufgelöst die Konzentration des atomaren Sauerstoffs gemessen werden.
Bislang wurden dazu verschiedene Methoden angewandt. So wurden beispielsweise atomare Sauerstoffkonzentrationen indirekt aus Beobachtungen des Nachthimmelleuchtens oder Messungen von Molekülen, die an photochemischen Prozessen mit atomarem Sauerstoff beteiligt sind, abgeleitet. Solche Messungen wurden mit mehreren Satelliteninstrumenten durchgeführt. Diese Methoden sind jedoch indirekt und beruhen auf Modellen und Annahmen. "Die Ergebnisse stimmen nicht immer überein, insbesondere wenn sie mit verschiedenen Instrumenten erzielt werden", sagt Prof. Heinz-Wilhelm Hübers, Direktor des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme. "Mit dem Terahertz-Spektrometer GREAT haben wir nun einen alternativen Ansatz untersucht, der uns eine direkte Messung erlaubt." So ermöglicht die hohe spektrale Auflösung von GREAT die hochgenaue Messung des 4.7 Terahertz-Übergangs, wodurch Höhenprofile der atomaren Sauerstoffkonzentration abgeleitet werden können. Während eines Fluges von SOFIA im Januar 2015 entlang der Westküste der USA konnten nun die ersten spektral aufgelösten Messungen dieses Übergangs gezeigt werden. Dabei sind diese Daten ein Nebenprodukt astronomischer Beobachtungen im gleichen Frequenzband. "Die Messungen mit GREAT zeigten, dass unsere Messungen gut mit atmosphärischen Modellen übereinstimmen, die durch Satellitenbeobachtungen ermittelt wurden", konstatiert Hübers.
Weiterentwicklung der Terahertz-Technologie für zukünftige Weltrauminstrumente
Ausgehend von den im GREAT-Instrument zum Einsatz kommenden Technologien sind zukünftige hochauflösende Terahertz-Spektrometer auch für den Einsatz im Weltraum möglich. So fördert die Europäische Weltraumorganisation (ESA) aktiv diese Entwicklung der Terahertz-Technologien für künftige Satellitenmissionen.
