Bodenbeobachtungen von planetaren Atmosphären

Hochauflösende Spektroskopie ist eine vielseitig anwendbare Methode um planetare Atmosphären zu untersuchen. Vollständig aufgelöste Moleküllinien ermöglichen die Bestimmung physikalischer Parameter wie Temperatur, Anzahldichte oder Windgeschwindigkeiten. Dazu wird eine spektrale Auflösung von ca. 10⁵  benötigt. Die zu beobachtenden Moleküle sind auch in der Erdatmosphäre vorhanden und beeinträchtigen die Qualität erdgebundener Messungen auf anderen Planeten. Die hohe Auflösung ermöglicht es aber durch transparentere Teilbereichen des  Spektrums zu „spinksen“ und damit bessere Ergebnisse zu erzielen.

Im mittleren Infrarot kann die höchste Auflösung mit der sogenannten Heterodyntechnik erzielt werden. Der in Köln entwickelte Empfänger THIS (Tuneable Heterodyne Infrared Spectrometer) ist das einzige abstimmbare Infrarot-Heterodyn-Spektometer für astronomische Anwendungen mit einem verfügbaren Wellenlängenbereich von 7–17 µm, einer Auflösung von 3 *10⁷ und einer Bandbreite von 3 GHz (Sonnabend et al., 2008). (Fig.THIS) Das zweite  Kölner Instrument  iCHIPS (Infrared Compact Heterodyne Instrument for Planetary Science) hat eine ähnliche Charakteristik und ist das Nachfolge- Instrument von THIS. Es wird vor allem für technische Entwicklung und Erdatmosphärenbeobachtungen  verwendet (Stangier et al., 2013). Beide Geräte wurden am I.Physikalischen Institut an der Universität zu Köln  entwickelt und werden von diesem auch betrieben. THIS und iCHIPS sind transportfähig und Beobachtungen werden üblicherweise am McMath-Pierce-Solar Telescope auf Kitt Peak, Arizona, USA  und am NASA IRTF auf Mauna Kea, Hawaii, USA durchgeführt.

Heterodyne-Spektroskpie ist eine einzigartige Möglichkeit von der Erde aus dynamische Prozesse in anderen Planetenatmosphären zu untersuchen. Die Sonneneinstrahlung führt in den  Mesosphhären und Thermosphären der Atmosphären von Mars und Venus zu einer Emission von CO2 bei einer Wellenlänge von 10 µm.

Dopplerverschobene non-LTE CO2 Emissionlinien können zur Bestimmung von Windgeschwindigkeiten verwendet werden. Die Frequenzverschiebung kann direkt in einen „Sichtlinienwind“, mit einer Genauigkeit von bis zu 10 m/s, konvertiert werden.

Da die Emissionlinien sehr schmal sind  (25MHz FWHM), ist eine hohe spektrale Auflösung von lambda/delta lambda= 10⁶  Voraussetzung (Sornig et al., 2012 /Sonnabend et al., 2012). Zusätzlich kann die Breite der Linien zur Bestimmung  der kinetischen Temperatur verwendet werden. Die Informationen kommen aus einer Druckregion der Atmosphäre von 1 µbar, da nur dort eine effizient  Emission stattfinden kann. Das entspricht auf der Venus einer Höhe von 110±10 km und auf  Mars einer Höhe von 80±10 km die korrespondierende Höhe (López-Valverde et al., 2011).

Neben den Emissionlinien können auch CO2 Absorptionlinien beobachtet werden. Diese können aufgrund der Druckverbreiterung zur Bestimmung von Temperaturprofilen genutzt werden. Der zugängliche Druckbereich liegt tiefer in der Atmosphäre  bei 100 mbar to 0.1 mbar (Stangier et al., 2014).

Die molekulare Zusammensetzung von Planentenatmosphären  ist ein weiteres  Anwendungsgebiet der Heterodynspektroskopie. Dies ist vor allem interessant wegen der möglichen Langzeitbeobachtungen mit brauchbarer räumlicher Auflösung. In den  letzten  Jahren wurde z.B. der Ozonzyklus von  Mars verfolgt (Fast KE et al., 2006) oder die Ethanverteilung auf Titan  vor und während des Abwurfs der Huygens  Sonde beobachtet [Kostiuk et al., 2005]. Bei all diesen Beobachtungen wurde ein CO2 Laser als Lokaloszillator verwenden. Mit den abstimmbaren Lasern in THIS und iCHIPS ist man freier in der Wellenlängenauswahl und es können zusätzliche Moleküle wie z.B. CH4, C2H2 oder H2 beobachtet werden.  Eines  unserer derzeitigen Projekte beschäftigt sich mit der ungeklärten Langzeitvariation von SO2 in der oberen  Venusatmsophäre. Kontinuierliche Messungen von  SO2 bei 8.6 µm mit THIS können dazu beitragen, den Ursprung von SO2 und Folgeproszesse in der Venusatmosphäre zu verstehen.

Nicht zuletzt bietet die Erdatmosphäre ein breites Anwendungsgebiet für hochauflösende Spektroskopie. Viele Spurengase haben Signaturen im mittleren Infrarot und dynamische Informationen können, ebenso wie Konzentrationsprofile (<100km), aus voll aufgelösten Spektrallinien ermittelt werden (Koide et al., 1995).

Zusätzlich zur Anwendung im  planetaren Bereich kann Infrarot-Heterodyn-Spektroskopie zur  Untersuchung des Interstellaren Mediums oder von Sternenhüllen verwendet werden. In Sonnabend et al. (2006)  wurden z.B. Vorgänge in Sonnenflecken untersucht. Durch Verbesserungen des Instruments mit  Hilfe neuer Technologien und der nächsten Generation von großen Teleskopen können  ähnliche Untersuchungen in naher Zukunft auch in Protoplanetaren Scheiben oder Exoplaneten durchgeführt werden.

Instrumente:

THIS – Tuneable Heterodyne Infrared Spectrometer (Sonnabend et al., 2008)

Weitere Infrarot-Heterodyn-Instrumente für planetare Anwedungen:

• HIPWAC
• MILAHI
• IVOLGA (Russian only)