Am Himmelslicht die Atmosphäre studieren

Innsbrucker Astrophysiker nutzen astronomische Daten von Großteleskopen für die Atmosphärenforschung und eröffnen damit ein neues Forschungsfeld. In einer ersten grundlegenden Studie konnten die Forscher Ungenauigkeiten einer gängigen Messmethode für die Temperatur einer atmosphärischen Grenzschicht in 80 bis 100 km Höhe aufzeigen.
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Bild: Das Very Large Telescope der ESO am Cerro Paranal in Chile (Foto: Y. Beletsky (LCO)/ESO)

Als „Schatz für die Atmosphärenwissenschaften“ bezeichnet das Team um Prof. Stefan Kimeswenger und Dr. Stefan Noll vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck die Daten aus astronomischen Großteleskopen. Eigentlich versucht die Astronomie, den Einfluss der Erdatmosphäre auf ihre Messergebnisse möglichst zu eliminieren. Denn physikalische Vorgänge in der Atmosphäre beeinflussen die Beobachtungen vom Erdboden sehr stark. Das Licht eines astronomischen Objekts wird dort gestreut und absorbiert. Außerdem beeinflussen Emissionen der Atmosphäre die Messungen. „Im Umkehrschluss bedeutet dies aber auch, dass jede Beobachtung auch Information über den Zustand der Erdatmosphäre enthält. In Anbetracht der großen Datenmenge, die jede Nacht von astronomischen Einrichtungen produziert werden, sind die archivierten Daten tatsächlich ein Schatz für die Atmosphärenwissenschaften“, betont Stefan Kimeswenger. Mit seinem Team hat er im Auftrag der Europäische Südsternwarte (ESO) in den vergangenen Jahren Computerprogramme entwickelt, mit denen der Einfluss der Atmosphäre korrigiert werden kann. „Damit lassen sich Beobachtungen wesentlich effizienter durchführen, weil keine zusätzlichen Messungen für die Kalibrierung mehr notwendig sind“, erklärt Kimeswenger. Die Programme basieren auf physikalischen Computermodellen der Atmosphäre, die die Wechselwirkung des Lichts mit Molekülen und Aerosolen in der Luft berücksichtigen. Diese Erfahrungen nutzen die Astronomen nun, um die Daten für die Atmosphärenforschung nutzbar zu machen. Grundlage dafür ist das große Datenarchiv der ESO. Unterstützt werden die Forscher dabei vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF.

Airglow lässt den Himmel leuchten

Auch wenn wir das Licht der Sonne und aller Sterne kurz ausschalten könnten, wäre der Himmel über uns nicht restlos dunkel. Denn die höheren Atmosphärenschichten leuchten. Ein Leuchten, das zum Beispiel am wenig lichtverschmutzten Standort der ESO-Teleskope im Norden von Chile gut beobachten werden kann. Dieses Nachthimmellicht, im englischen Airglow genannt, wird durch chemische Prozesse in den oberen Luftschichten verursacht. Ultraviolette Strahlung trifft dort auf verschiedene Moleküle. Diese zerbrechen, und freiwerdende Radikale reagieren mit weiteren Teilchen. In einigen Fällen wird dabei Licht ausgesendet, das gemeinsam mit dem Lichtteilchen aus dem Weltall auf die Erde trifft und sich in den Messdaten der Teleskope wiederfindet. In einer ersten Studie hat Stefan Noll nun Daten des X-Shooter-Spektrographen am Very Large Telescope der ESO am Cerro Paranal in Chile ausgewertet. „Großteleskope in Kombination mit leistungsstarken Spektrographen bieten eine hohe spektrale und räumliche Auflösung, große Wellenlängenabdeckung, sowie ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis“, erklärt Noll. „Dies ist bei den bisher von den Atmosphärenwissenschaften verwendeten Instrumenten nicht der Fall.“

Radikale verursachen charakteristische Spuren

Noll hat die Intensitäten und die Variabilität von Airglow-Linien und -Banden, die in über 80 km durch Chemilumineszenz erzeugt werden, untersucht und hier im Besonderen jene Spektrallinien verglichen, die durch Hydroxyl-Radikale (OH) verursacht werden. Es ist eines der häufigsten Radikale in der Erdatmosphäre, das auch für die Bestimmung der Temperatur in der Mesopause, einer Grenzschicht der Atmosphäre in 80 bis 100 km Höhe, herangezogen wird. „Mit dieser einfachen Methode wurden bereits in den 1950er-Jahren erste Messungen durchgeführt. Die langen Messreihen haben gerade in Hinblick auf den Klimawandel große Bedeutung für die aktuelle Forschung“, betont Noll. Seine Datenauswertung zeigt nun, dass die Linienintensitätsverhältnisse von verschiedenen OH-Banden zu sehr unterschiedlichen Temperaturen führen und deren Differenzen auch noch zeitlich variabel sind, insbesondere in der Nacht. „Wir müssen daher davon ausgehen, dass die bisher mit dieser Methode gemessenen Werte nicht allein durch Temperaturänderungen zu erklären sind“, fasst Noll die Ergebnisse der Studie zusammen. „Hier müssen auch nicht-thermische Effekte eine Rolle spielen, die die gemessenen Temperaturen verfälschen.“ Die Forscher vermuten, dass dies unter anderem damit zu tun hat, dass sich die Höhe und damit die Luftdichte der Emissionsschicht im Laufe der Nacht ändert. In der internationalen Forschungsgemeinde der Atmosphärenwissenschaften wurde dieses Ergebnis bereits mit großem Interesse aufgenommen. Stefan Noll will nun in einer weiteren Untersuchung die Höhe dieser Effekte genauer bestimmen und studiert dazu in den astronomischen Daten gerade die Spektralbanden von Sauerstoffmolekülen, die realistischere Temperaturen liefern sollten.

Eigenschaften der Erdatmosphäre studieren

Mit diesen Arbeiten eröffnet die Innsbrucker Forschungsgruppe, in der auch Dr. Wolfgang Kausch und Mag. Stefanie Unterguggenberger mitarbeiten, ein neues Forschungsfeld im Grenzgebiet zwischen Astronomie, Geophysik und Atmosphärenforschung. Die Daten vom Cerro Paranal eignen sich auch ideal für das Studium von Aerosolen mit langen Verweilzeiten in der Troposphäre und Stratosphäre, denn sie werden dort kaum von lokalen Aerosolstrahlungsquellen beeinflusst. Die Ergebnisse fließen aber auch in die Verbesserung des Modells für den Nachthimmel über dem Cerro Paranal ein. Dies ist wiederum für die Planung und Kalibrierung astronomischer Beobachtungen enorm wichtig.