SOFIA weist erstmals direkt atomaren Sauerstoff in der Venus-Atmosphäre nach

Unser Sonnensystem hat zwei bemerkenswert ähnliche Planeten: die Erde und die Venus. Sie sind wahrscheinlich gleich alt, vergleichbar groß und vermutlich aus den gleichen Materialien entstanden. Aber es gibt auch große Unterschiede zwischen beiden Himmelskörpern. Während die Erde einen blauen Himmel, Ozeane mit flüssigem Wasser voller Leben und eine sauerstoffreiche Atmosphäre hat, ist die Venus umgeben von einer dichten Wolkendecke aus Kohlendioxid, Stickstoff und verschiedenen Spurengasen. Ein Team um Heinz-Wilhelm Hübers, Direktor des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme in Berlin konnte nun erstmals direkt die Konzentration des atomaren Sauerstoffs sowohl auf der Tag- als auch auf der Nachtseite der Venusatmosphäre messen.
Die Ergebnisse wurden am 07. November 2023 in der Zeitschrift nature veröffentlicht und basieren auf Beobachtungen der fliegenden Sternwarte SOFIA, ein Gemeinschaftsprojekt der deutschen und der amerikanischen Raumfahrtagentur DLR und NASA. Das Deutsche SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert die SOFIA-Aktivitäten auf deutscher Seite.

In der Atmosphäre der Venus herrschen zwei starke Strömungen vor: Unterhalb von etwa 70 Kilometern gibt es Winde, die in Hurrikanstärke entgegen der Rotationsrichtung der Venus wehen, jedoch strömen oberhalb von 120 Kilometern starke Winde in Rotationsrichtung. Zwischen diesen beiden entgegengesetzten atmosphärischen Strömungen befindet sich eine Schicht von atomarem Sauerstoff. Dieser entsteht durch die UV-Strahlung der Sonne, die das Kohlendioxid und Kohlenmonoxid der Venusatmosphäre in atomaren Sauerstoff und weitere Produkte zerlegt.

Bislang konnten Wissenschaftler & Wissenschaftlerinnen atomaren Sauerstoff nur indirekt nachweisen – basierend auf Messungen anderer Moleküle in Kombination mit photochemischen Modellen. Forschende vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie und der Universität zu Köln ist es im November 2021 erstmals gelungen, die äußerst reaktiven Sauerstoffatome in der Atmosphäre der Venus direkt nachzuweisen. Die Messungen wurden mit dem Terahertz-Spektrometer upGREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) an Bord von SOFIA durchgeführt. „Sie waren besonders herausfordernd, da die Venus nur an drei Tagen für jeweils circa 20 Minuten mit SOFIA beobachtet werden konnte und zudem nur wenig über dem Horizont stand. Dank der überragenden Messempfindlichkeit von upGREAT und der einzigartigen Fähigkeiten von SOFIA gelang es, eine Karte der Sauerstoffverteilung auf der Venus zu erstellen“, sagt Heinz-Wilhelm Hübers, Erstautor der nature-Veröffentlichung.

Die Emission der Venus wurde in einem schmalen Frequenzbereich um 4,74 Terahertz (THz) gemessen, was einer Wellenlänge von 63,2 Mikrometern entspricht. Der atomare Sauerstoff in der Venus-Atmosphäre absorbiert diese Strahlung. Das ist vergleichbar mit den Fraunhoferlinien im Sonnenspektrum, die einen Hinweis auf die in der Sonnenatmosphäre befindlichen Atome geben. So entsteht im Terahertzspektrum der Venus eine Absorptionslinie, die charakteristisch für den atomaren Sauerstoff ist. Die Stärke und Form des Absorptionssignals ist ein Maß für die Menge des atomaren Sauerstoffs und für seine Temperatur. „Wir konnten damit zeigen, dass der Sauerstoff auf der Tagseite der Venus gebildet wird und seine Konzentration mit abnehmender Sonneneinstrahlung ebenfalls abnimmt. Auf der Nachtseite deutet eine lokale Konzentrationserhöhung auf eine Anreicherung des atomaren Sauerstoffs in Folge von Windströmungen hin“, erklärt Hübers.

Aus der Temperatur des atomaren Sauerstoffs von etwa -120 Grad Celsius auf der Tagseite bis -160 Grad Celsius auf der Nachtseite lässt sich ableiten, dass er vorwiegend in einer Höhenschicht um 100 Kilometer vorkommt. Seine Konzentration ist damit rund 10-mal geringer als in der Atmosphäre der Erde. „Die Messung dieser deutlichen Unterschiede zur Erde können zukünftig zu einem besseren Verständnis beitragen, warum sich die Erde und ihr Schwesterplanet Venus so unterschiedlich entwickelt haben“, erläutert Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Deputy Direktor der Universität Stuttgart.

Originalveröffentlichung:

• Direct detection of atomic oxygen on the dayside and nightside of Venus¸ nature, 07. November 2023, Volume 14, page 1-7; DOI number: 10.1038/s41467-023-42389-x
• POC:
• Heinz-Wilhelm Hübers: (Heinz-Wilhelm.Huebers@dlr.de)

Links zur aktuellen News:

• Atomarer Sauerstoff auf der Tag- und Nachtseite der Venusatmosphäre, Pressemitteilung des  DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme, 07. November 2023
• Erster direkter Nachweis atomaren Sauerstoffs in der Venusatmosphäre, Mtteilung des MPIfR, 07. November 2023

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SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301, 50OK1701 und 50OK2002) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die SOFIA-Aktivitäten werden auf deutscher Seite von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR koordiniert und vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart durchgeführt, auf amerikanischer Seite von der NASA und der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente wurde finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

upGREAT ist eine Weiterentwicklung des Ferninfrarot-Spektrometers GREAT ("German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies"), mit dem seit 2011 zahlreiche erfolgreiche Wissenschaftsflüge mit SOFIA durchgeführt wurden. Das Instrument wurde von einem Konsortium deutscher Forschungsinstitute - dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie und dem "Kölner Observatorium für SubMillimeter Astronomie" (KOSMA) der Universität zu Köln in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin entwickelt und gebaut.