Dünne Luft

In einer Untersuchung der Zusammensetzung der oberen Atmosphäre der Erde wurde ein erhöhtes Vorkommen des schweren Sauerstoff­isotops ¹⁸O nachgewiesen. Helmut Wiesemeyer vom Max-Planck-Institut für Radio­astronomie und seinen Kollegen gelang es zum ersten Mal, den ¹⁸O-Anteil in der oberen Mesosphäre und unteren Thermosphäre zu messen. Sie nutzten dazu den GREAT-Empfänger an Bord des Flugzeug­observatoriums Sofia und konnten feststellen, dass der ¹⁸O-Anteil in der oberen Atmosphäre dem der unteren Atmosphäre sehr ähnlich ist. Inwieweit biologische Effekte die Erdatmosphäre durchdringen, könnte Forschern dabei helfen, die Suche nach möglichen Anzeichen von Leben auf anderen Planeten zu verfeinern.

Wo verläuft die Grenze zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum? Auf diese scheinbar einfache Frage gibt es keine eindeutige Antwort. In der Luft- und Raumfahrt wird auf die Kármán-Linie verwiesen, die bei einer Höhe von einhundert Kilometern über dem Meeres­spiegel verläuft. Es handelt sich dabei um eine Höhe, in der der hydro­dynamische Auftrieb definitiv aufhört, oder in der Satelliten aufgrund der Reibung mit der Luft in der oberen Atmosphäre noch keine stabile Umlaufbahn um die Erde einnehmen können. Andererseits wurde erst kürzlich ein magneto­sphärischer Wind entdeckt, der von der Ionosphäre der Erde bis zum Mond vordringt und die Isotopen­zusammensetzung des Mondbodens, der dem Sonnenwind ausgesetzt ist, kontaminiert.

Dieser terrestrische Finger­abdruck könnte als einzigartig im Sonnensystem gelten, da er möglicherweise eine Signatur der biologischen Aktivität auf der Erde trägt. In der Tat gibt es in der unteren Atmosphäre im Verhältnis zum leichteren und häufigeren Isotop ¹⁶O mehr schweren Sauerstoff (¹⁸O) als im Meerwasser. Diese Ungleichheit ist als Dole-Effekt bekannt und lässt sich folgender­maßen verstehen: Sauerstoff entsteht als Abfallprodukt der Photosynthese und übernimmt seine Isotopenzusammensetzung von derjenigen des beteiligten Wassers, während die Atmung bevorzugt die leichtere Version des Sauerstoffs zerstört. Durch eine effiziente vertikale Durchmischung wird diese gut untersuchte Biosignatur bis in die Stratosphäre getragen. Eine weitere Durchmischung der Luft in die noch höheren Atmosphären­schichten – Mesosphäre und Thermosphäre – wurde bereits vor einem Jahrzehnt nachgewiesen. Die Thermosphäre ist der Ausgangspunkt für den Wind von Sauerstoffionen, die in die Plasmaschicht der Erde eindringen, doch ist ihre isotopische Sauerstoff­zusammensetzung noch unbekannt.

„Bei unserem Versuch, die Isotopen­zusammensetzung von Sauerstoff in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre der Erde aus der Ferne zu messen, nutzen wir einen relativistischen Effekt, durch den sich der elektronische Grundzustand von atomarem Sauerstoff in drei Feinstruktur­niveaus aufspaltet“, sagt Helmut Wiesemeyer. „Strahlungs­übergänge von einem Quantenzustand in einen anderen erzeugen infrarote Spektral­linien. Sie werden weiter aufgespalten, wenn man dem Kern ein oder zwei Neutronen hinzufügt: Der Schwerpunkt des Atoms verschiebt sich, was zu einer leichten Veränderung der charak­teristischen Frequenzen der Feinstruktur­linien führt.“

Diese Spektrallinien erscheinen in starker Absorption gegen helle Infrarot­quellen im Hintergrund und liefern daher wertvolle Fingerabdrücke der Chemie in diesen Regionen der Atmosphäre. „Zum ersten Mal konnten wir die spektroskopische Signatur der Isotopen­verschiebung in Spektrallinien von atomarem Sauerstoff in der Natur identi­fizieren, in einer Umgebung, die weit von erdgebundenen Laboren entfernt ist. Es ist zu hoch für Ballons und zu niedrig für Satelliten in der Erdumlaufbahn. Das erschwert Untersuchungen an Ort und Stelle ganz erheblich“, erklärt Rolf Güsten, ebenfalls vom MPIfR. „Unsere Beobachtungen erlauben es jedoch, die Spektrallinie von ¹⁸O im Terahertz-Bereich in Absorption gegen den Mond zu identifizieren.“

„Hier schließt sich der Kreis: Die Stärke der Spektral­linie von schwerem Sauerstoff im Vergleich zu derjenigen des Hauptisotops ¹⁶O ermöglicht es uns, die relative Häufigkeit beider Spezies aus der Ferne zu messen“, ergänzt Jürgen Stutzki von der Universität Köln. „Aus den Messungen des Stratosphären­observatoriums leiten wir Werte ab, die für die untere Atmosphäre typisch sind, aber nicht für den Sonnenwind, der dort dominiert, wo das inter­planetare Magnetfeld dasjenige der Erde ablöst.“ Doch eine endgültige Entscheidung steht noch aus: mit der Empfindlichkeit der publizierten Messungen kann noch nicht entschieden werden, ob das biogene Isotopen­verhältnis des molekularen Sauerstoffs in der Troposphäre oder das Isotopen­verhältnis des stratosphärischen Ozons aufgespürt wird.

Um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen, sind weitere Messungen erforderlich. Ein lohnendes Unterfangen, auch deshalb, weil der Ursprung des Isotopen­verhältnisses von Ozon noch nicht vollständig geklärt ist. Man nimmt an, dass es durch eine Klasse schneller chemischer Reaktionen entsteht, die Isotope zwischen ihren Partnern austauschen. „Wir zeigen, dass diese Reaktionen in der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre mit inelastischen Kollisionen konkurrieren, die Quanten­zustände anregen, ohne die elektrische Ladung oder chemische Bindungen zu verändern. Dieser Wettbewerb führt dazu, dass die Grundzustände von ¹⁸O anders besetzt werden als diejenigen von ¹⁶O, die sich in einem thermo­dynamischen Gleichgewicht befinden“, sagt Heinz-Wilhelm Hübers vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin. „Die relativen Stärken der gemessenen Spektrallinien sind entscheidend für den Nachweis dieses Ungleichgewichts. Zusammen mit empirischen Daten der Sauerstoff­konzentration in der Hochatmosphäre kann unsere Bestimmung der Isotopen­fraktionierung korrigiert werden. Unsere Beobachtungen mit dem Ballon­experiment OSAS-B gehen in diese Richtung.“

Auf den ersten Blick scheint die Notwendigkeit einer solchen Korrektur die Analyse unnötig kompliziert zu machen. Auf den zweiten Blick bietet sie jedoch ein Instrument zur näheren Untersuchung der schnellen Isotopen­austauschreaktionen zwischen atomarem und molekularem Sauerstoff, die der Bildung von Ozon vorangehen. Dazu ist ein weiterer Stoff als Katalysator erforderlich, der in der Stratosphäre reichlich vorhanden ist, aber in größeren Höhen immer seltener wird. Nicht zuletzt implizieren von der Quantentheorie vorgegebene Auswahl­regeln eine starke Temperatur­abhängigkeit der Stoßanregung, die mit dem Austausch von Isotopen konkurriert. Dieser Effekt könnte letztlich zur Untermauerung empirische Modelle der oberen Atmosphäre genutzt werden. „Zur Zeit sind wir noch nicht so weit. Um zu einem endgültigen Ergebnis zu kommen, sind noch weitere Experimente am Infrarothimmel erforderlich, die auf den erfolgreichen Beobachtungs­programmen von SOFIA aufbauen“, sagt Wiesemeyer.

MPIfR / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  H. Wiesemeyer et al.: First detection of the atomic 18O isotope in the mesosphere and lower thermosphere of Earth, Phys. Rev. Res. 5, 013072 (2023); DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.013072
• Millimeter- und Submillimeter-Astronomie, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn

• In­fra­rot-Ob­ser­va­to­ri­um SO­FIA, Deutsches Zentrum
  für Luft- und Raumfahrt, Köln