SOFIA
Der atomare Sauerstoff in der Atmosphäre der Venus
Redaktion / Pressemitteilung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. 
astronews.com
9. November 2023

Die Venus gilt als Zwilling der Erde, hat sich aber komplett anders entwickelt. Und natürlich interessiert sich die Forschung dafür, wie das passieren konnte. Mit dem Flugzeugobservatorium SOFIA wurde vor zwei Jahre nun erstmals die Konzentration des atomaren Sauerstoffs auf der Tag- und Nachtseite der Venusatmosphäre direkt gemessen.

Absorptionsspektrum von atomarem Sauerstoff bei 4,74 Terahertz (schwarze Linie) vor dem Hintergrund der Venus. Bild: Hübers et al. / NASA / JPL-Caltech [Großansicht]

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.

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 eine Schicht von atomarem Sauerstoff. Dieser entsteht durch die UV-Strahlung der Sonne, die das Kohlendioxid und Kohlenmonoxid der Venusatmosphäre in atomaren Sauererstoff und weitere Produkte zerlegt.

Frühere und aktuelle Nachweismethoden sind indirekt und basieren auf Messungen anderer Moleküle in Kombination mit photochemischen Modellen. Einem Team von Forschenden 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 des Flugzeugobservatoriums 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 Qualität von SOFIA gelang es, eine Karte der Sauerstoffverteilung auf der Venus zu erstellen", erläutert Prof. Heinz-Wilhelm Hübers, Direktor des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme.

Die Emission der Venus wurde in einem schmalen Frequenzbereich um 4,74 Terahertz 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 ca. -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 circa zehnmal geringer als in der Atmosphäre der Erde. Die deutlichen Unterschiede zur Erde können zukünftig zu einem besseren Verständnis beitragen, warum sich die Erde und ihr Schwesterplanet Venus so unterschiedlich entwickelt haben.

SOFIA, das "Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie", war ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.