Fliegendes Stratosphären-Observatorium misst erstmals direkt die Konzentration von atomarem Sauerstoff
26. Januar 2021 | Mitten in der Erdatmosphäre
Fliegendes Stratosphären-Observatorium misst erstmals direkt die Konzentration von atomarem Sauerstoff
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
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 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.
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 (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.
