{"id":1009,"date":"2016-08-12T13:27:56","date_gmt":"2016-08-12T13:27:56","guid":{"rendered":"http:\/\/www.radio-science.eu\/?page_id=1009"},"modified":"2023-11-13T09:07:40","modified_gmt":"2023-11-13T09:07:40","slug":"bodenbeobachtungen-von-planetaren-atmosphaeren","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/fip-koeln.de\/en_us\/bodenbeobachtungen-von-planetaren-atmosphaeren\/","title":{"rendered":"Bodenbeobachtungen von planetaren Atmosph\u00e4ren"},"content":{"rendered":"\n

Hochaufl\u00f6sende Spektroskopie ist eine vielseitig anwendbare Methode um planetare Atmosph\u00e4ren zu untersuchen. Vollst\u00e4ndig aufgel\u00f6ste Molek\u00fcllinien erm\u00f6glichen die Bestimmung physikalischer Parameter wie Temperatur, Anzahldichte oder Windgeschwindigkeiten. Dazu wird eine spektrale Aufl\u00f6sung von ca. 105  <\/sup>ben\u00f6tigt. Die zu beobachtenden Molek\u00fcle sind auch in der Erdatmosph\u00e4re vorhanden und beeintr\u00e4chtigen die Qualit\u00e4t erdgebundener Messungen auf anderen Planeten. Die hohe Aufl\u00f6sung erm\u00f6glicht es aber durch transparentere Teilbereichen des  Spektrums zu „spinksen“ und damit bessere Ergebnisse zu erzielen.<\/p>\n\n\n\n

Im mittleren Infrarot kann die h\u00f6chste Aufl\u00f6sung mit der sogenannten Heterodyntechnik erzielt werden. Der in K\u00f6ln entwickelte Empf\u00e4nger THIS (Tuneable Heterodyne Infrared Spectrometer) ist das einzige abstimmbare Infrarot-Heterodyn-Spektometer f\u00fcr astronomische Anwendungen mit einem verf\u00fcgbaren Wellenl\u00e4ngenbereich von 7\u201317 \u00b5m, einer Aufl\u00f6sung von 3 *107 <\/sup>und einer Bandbreite von 3 GHz (Sonnabend et al., 2008). (Fig.THIS) Das zweite  K\u00f6lner Instrument  iCHIPS (Infrared Compact Heterodyne Instrument for Planetary Science) hat eine \u00e4hnliche Charakteristik und ist das Nachfolge- Instrument von THIS. Es wird vor allem f\u00fcr technische Entwicklung und Erdatmosph\u00e4renbeobachtungen  verwendet (Stangier et al., 2013). Beide Ger\u00e4te wurden am I.Physikalischen Institut an der Universit\u00e4t zu K\u00f6ln<\/a>  entwickelt und werden von diesem auch betrieben. THIS und iCHIPS sind transportf\u00e4hig und Beobachtungen werden \u00fcblicherweise am McMath-Pierce-Solar Telescope auf Kitt Peak<\/a>, Arizona, USA  und am NASA IRTF auf Mauna Kea, <\/a>Hawaii, USA durchgef\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Heterodyne-Spektroskpie ist eine einzigartige M\u00f6glichkeit von der Erde aus dynamische Prozesse in anderen Planetenatmosph\u00e4ren zu untersuchen. Die Sonneneinstrahlung f\u00fchrt in den  Mesosphh\u00e4ren und Thermosph\u00e4ren der Atmosph\u00e4ren von Mars und Venus zu einer Emission von CO2 bei einer Wellenl\u00e4nge von 10 \u00b5m.<\/p>\n\n\n\n

\"MarsSpec\"<\/a><\/figure>\n\n\n\n
\"VenusSpec\"<\/a><\/figure>\n\n\n\n

Dopplerverschobene non-LTE CO2 Emissionlinien k\u00f6nnen zur Bestimmung von Windgeschwindigkeiten verwendet werden. Die Frequenzverschiebung kann direkt in einen „Sichtlinienwind“, mit einer Genauigkeit von bis zu 10 m\/s, konvertiert werden.<\/p>\n\n\n\n

\"MarsWind\"<\/a>
Vergleich von gemessenen Windgeschwindigkeiten mit Modellrechnung der Mars Climate Database (MCD) des LMD. Zu sehen sind die horizontalen Westwinde bei diversen Breitengraden, ermittelt w\u00e4hrend dreier unterschiedlicher Beobachtungsruns. Die Windgeschwindigkeiten der MCD wurden zwischen H\u00f6hen von 50 und 116km gemittelt.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
\"WindVenus\"<\/a><\/figure>\n\n\n\n

Da die Emissionlinien sehr schmal sind  (\u000325MHz FWHM), ist eine hohe spektrale Aufl\u00f6sung von lambda\/delta lambda= 106<\/sup>  Voraussetzung (Sornig et al., 2012 \/Sonnabend et al., 2012). Zus\u00e4tzlich kann die Breite der Linien zur Bestimmung  der kinetischen Temperatur verwendet werden. Die Informationen kommen aus einer Druckregion der Atmosph\u00e4re von 1 \u00b5bar, da nur dort eine effizient  Emission stattfinden kann. Das entspricht auf der Venus einer H\u00f6he von 110\u00b110 km und auf  Mars einer H\u00f6he von 80\u00b110 km die korrespondierende H\u00f6he (L\u00f3pez-Valverde et al., 2011).<\/p>\n\n\n\n

Neben den Emissionlinien k\u00f6nnen auch CO2 Absorptionlinien beobachtet werden. Diese k\u00f6nnen aufgrund der Druckverbreiterung zur Bestimmung von Temperaturprofilen genutzt werden. Der zug\u00e4ngliche Druckbereich liegt tiefer in der Atmosph\u00e4re  bei 100 mbar to 0.1 mbar (Stangier et al., 2014).<\/p>\n\n\n\n

\"VenusTempProfile\"<\/a><\/figure>\n\n\n\n

Die molekulare Zusammensetzung von Planentenatmosph\u00e4ren  ist ein weiteres  Anwendungsgebiet der Heterodynspektroskopie. Dies ist vor allem interessant wegen der m\u00f6glichen Langzeitbeobachtungen mit brauchbarer r\u00e4umlicher Aufl\u00f6sung. In den  letzten  Jahren wurde z.B. der Ozonzyklus von  Mars verfolgt (Fast KE et al., 2006) oder die Ethanverteilung auf Titan  vor und w\u00e4hrend 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 Wellenl\u00e4ngenauswahl und es k\u00f6nnen zus\u00e4tzliche Molek\u00fcle wie z.B. CH4, C2H2 oder H2 beobachtet werden.  Eines  unserer derzeitigen Projekte besch\u00e4ftigt sich mit der ungekl\u00e4rten Langzeitvariation von SO2 in der oberen  Venusatmsoph\u00e4re. Kontinuierliche Messungen von  SO2 bei 8.6 \u00b5m mit THIS k\u00f6nnen dazu beitragen, den Ursprung von SO2 und Folgeproszesse in der Venusatmosph\u00e4re zu verstehen.<\/p>\n\n\n\n

Nicht zuletzt bietet die Erdatmosph\u00e4re ein breites Anwendungsgebiet f\u00fcr hochaufl\u00f6sende Spektroskopie. Viele Spurengase haben Signaturen im mittleren Infrarot und dynamische Informationen k\u00f6nnen, ebenso wie Konzentrationsprofile (<100km), aus voll aufgel\u00f6sten Spektrallinien ermittelt werden (Koide et al., 1995).<\/p>\n\n\n\n

Zus\u00e4tzlich zur Anwendung im  planetaren Bereich kann Infrarot-Heterodyn-Spektroskopie zur  Untersuchung des Interstellaren Mediums oder von Sternenh\u00fcllen verwendet werden. In Sonnabend et al. (2006)  wurden z.B. Vorg\u00e4nge in Sonnenflecken untersucht. Durch Verbesserungen des Instruments mit  Hilfe neuer Technologien und der n\u00e4chsten Generation von gro\u00dfen Teleskopen k\u00f6nnen  \u00e4hnliche Untersuchungen in naher Zukunft auch in Protoplanetaren Scheiben oder Exoplaneten durchgef\u00fchrt werden.<\/p>\n\n\n\n

Instrumente:<\/p>\n\n\n\n

THIS – Tuneable Heterodyne Infrared Spectrometer (Sonnabend et al., 2008)<\/p>\n\n\n\n

\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Bandbreite<\/td>\n3 GHz<\/b><\/b><\/b><\/td>\n<\/tr>\n
max. spektrale Aufl\u00f6sung<\/b><\/td>\n107<\/sup><\/td>\n<\/tr>\n
Spektrale Stabilit\u00e4t<\/b><\/td>\n1 MHz<\/b>
<\/b><\/td>\n<\/tr>\n
Wellenl\u00e4ngenbereich<\/b><\/td>\n1-13 \u00b5<\/b><\/b>m<\/b>
<\/b><\/td>\n<\/tr>\n
Rauschtemperatur<\/b><\/b><\/b>
<\/b><\/td>\n		below 3000K<\/b> at 10 \u00b5m<\/b>
<\/b><\/td>\n<\/tr>\n
Allanzeit<\/b>
<\/b><\/td>\n		10 s<\/b>
<\/b><\/td>\n<\/tr>\n
Empf\u00e4ngerdimensionen<\/b><\/td>\n80x80x45 <\/b><\/b>cm3<\/sup>, ~ 80 kg<\/b><\/b><\/b><\/td>\n<\/tr>\n
 <\/td>\n <\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<\/div>\n\n\n\n
\n

iCHIPS -Infrared Compact Heterodyne Instrument for Planetary Science (Stangier et al., 2013)<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Bandbreite
(staring mode)<\/td>\n		1.4<\/b> GHz<\/b><\/b><\/b><\/td>\n<\/tr>\n
Bandbreite
(scanning mode)<\/td>\n		150<\/b> GHz<\/b><\/b><\/b><\/td>\n<\/tr>\n
max. spektrale Aufl\u00f6sung<\/b>
(staring mode)
<\/b><\/td>\n		107<\/sup><\/td>\n<\/tr>\n
max. spektrale Aufl\u00f6sung
(scanning mode)<\/td>\n		105<\/sup><\/td>\n<\/tr>\n
Spektrale Stabilit\u00e4t <\/b>
(staring mode)
<\/b><\/td>\n		1 MHz<\/b>
<\/b><\/td>\n<\/tr>\n
Wellenl\u00e4ngenbereich<\/b><\/td>\n7<\/b>-11<\/b> \u00b5m<\/b>
<\/b><\/td>\n<\/tr>\n
Rauschtemperatur<\/b><\/b><\/b>
<\/b><\/td>\n		4<\/b>000K<\/b> at 7.8<\/b> \u00b5m<\/b>
<\/b><\/td>\n<\/tr>\n
Allanzeit<\/b>
<\/b><\/td>\n		10 s<\/b>
<\/b><\/td>\n<\/tr>\n
Empf\u00e4ngerdimensionen<\/b><\/td>\n6<\/b>0x42<\/b>x3<\/b>5 cm3<\/sup>, 36<\/b> kg<\/b><\/b><\/b><\/td>\n<\/tr>\n
 <\/td>\n <\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<\/div>\n\n\n\n

Weitere Infrarot-Heterodyn-Instrumente f\u00fcr planetare Anwedungen:<\/p>\n\n\n\n