26. Januar 2021
Mitten in der Erdatmosphäre

Flie­gen­des Stra­to­sphä­ren-Ob­ser­va­to­ri­um misst erst­mals di­rekt die Kon­zen­tra­ti­on von ato­ma­rem Sau­er­stoff

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Nachthimmelleuchten aus Sicht der ISS
Nacht­him­mel­leuch­ten aus Sicht der ISS
Bild 1/3, Credit: NASA

Nachthimmelleuchten aus Sicht der ISS

Nacht­him­mel­leuch­ten über dem Ho­ri­zont der Er­de – auf­ge­nom­men von Astro­nau­ten an Bord der In­ter­na­tio­na­len Raum­sta­ti­on ISS. Die grü­ne Far­be wird durch den 557-nm-Über­gang von ato­ma­rem Sau­er­stoff ver­ur­sacht, wie das Ener­gie­spek­trum im Ein­schub zeigt (nicht maß­stabs­ge­treu). Das durch die wei­ße Kur­ve an­ge­ge­be­ne Spek­trum (Brei­te: 170 MHz) ist die Grund­zu­stand­se­mis­si­on von ato­ma­rem Sau­er­stoff bei 4,7 THz.
Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie SOFIA
Das Stra­to­sphä­ren-Ob­ser­va­to­ri­um für In­fra­rot-Astro­no­mie SO­FIA
Bild 2/3, Credit: NASA/C.Thomas.

Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie SOFIA

SO­FIA ist ein Ge­mein­schaftspro­jekt des Deut­schen Zen­trums für Luft- und Raum­fahrt (DLR) und der Na­tio­nal Ae­ro­nau­tics and Space Ad­mi­nis­tra­ti­on (NA­SA). Wäh­rend ei­nes Flu­ges von SO­FIA im Ja­nu­ar 2015 ent­lang der West­küs­te der USA konn­te die Kon­zen­tra­ti­on von ato­ma­rem Sau­er­stoff in der Me­so­sphä­re und der un­te­ren Ther­mo­sphä­re erst­mals di­rekt ge­mes­sen wer­den.
Das Terahertz-Spektrometer GREAT
Das Tera­hertz-Spek­tro­me­ter GRE­AT
Bild 3/3, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Das Terahertz-Spektrometer GREAT

Das Tera­hertz-Spek­tro­me­ter GRE­AT ist in­ner­halb der Druck­luft­ka­bi­ne im Flug­zeu­gob­ser­va­to­ri­um SO­FIA am Te­le­skopflansch mon­tiert. Die Te­le­skop­schüs­sel selbst be­fin­det sich in ei­nem her­me­tisch ab­ge­schlos­se­nen Raum im hin­te­ren Teil des Flug­zeugs. Ih­re Lu­ke wird erst wäh­rend des Flu­ges ge­öff­net.
  • GREAT misst erstmals direkt Konzentration von atomarem Sauerstoff in Mesosphäre und unterer Thermosphäre.
  • Erste Messungen erfolgten während eines Flugs mit SOFIA an der Westküste der USA.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Terahertz-Forschung, Sensorsysteme

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.

Über SOFIA

SOFIA, das "Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie", ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundes (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie), des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA-Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA).

Über GREAT

GREAT/upGREAT, der "German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies", wurde durch ein Konsortium deutscher Forschungsinstitute (MPI für Radioastronomie/MPIfR, Bonn und KOSMA/Universität zu Köln, in Zusammenarbeit mit dem DLR‐Institut für Optische Sensorsysteme, Berlin, und dem MPI für Sonnensystemforschung, Göttingen) entwickelt und gebaut. Die Entwicklung des Instruments ist finanziert mit Mitteln der beteiligten Institute, der Max‐Planck‐Gesellschaft, der Deutschen Forschungsgemeinschaft und des DLR.

Kontakt
  • Prof.Dr. Heinz-Wilhelm Hübers
    In­sti­tuts­lei­ter
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für Op­ti­sche Sen­sor­sys­te­me
    Rutherfordstraße 2
    12489 Berlin-Adlershof
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  • Melanie-Konstanze Wiese
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