Probing Atmospheric Properties of Mars and Venus by High-Resolution Infrared Heterodyne Spectroscopy of CO2

• Applicant: Dr. Guido Sonnabend
• Subject Area: Atmospheric Science
• Term: from 2006 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 33669283

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

In den durchgeführten Projekten ”High-Resolution Infrared Heterodyne Spectroscopy of CO2 to Investigate Atmospheric Dynamics on Mars and Venus” und ”Probing Atmospheric Properties of Mars and Venus by High-Resolution Infrared Heterodyne Spectroscopy of CO2” wurden zahlreiche neue Erkenntnisse uber die physikalischen Eigenschaften der hohen Atmosphären von Mars und Venus gewonnen. Diese Bereiche der Atmosphäre sind direkten Beobachtungen, insbesondere von Satelliten, nur schwer zugänglich. Kenntnisse über die physikalischen Eigenschaften der hohen Atmosphäre sind aber notwendig, um die globale atmosphärische Zirkulation ebenso wie die chemischen Prozesse in der Atmosphäre zu verstehen und zu simulieren. Die von uns verwendete Heterodyntechnik erlaubt uns sehr detaillierte spektroskopische Untersuchungen von atmosphärischen CO2 Molekülen. Aus der exakten Bestimmung von Doppler-Verschiebungen in den von diesen Molekülen abgestrahlten Frequenzen kann direkt die Geschwindigkeit des emittierenden Gases und damit die Windgeschwindigkeiten in einer Höhe von ca. 110 km auf der Venus, bzw. ca. 75 km auf dem Mars bestimmt werden. Zusätzlich kann aus der Verteilung des abgestrahlten Lichtes auch die lokale Temperatur des Gases bestimmt werden. Zur Durchführung dieser Messungen im infraroten Spektralbereich des Lichtes verwenden wir ein weltweit einmaliges Beobachtungsinstrument, das Kölner Infrarot Heterodyn Spektrometer THIS (Tuneable Heterodyne Infrared Spectrometer). Unter Verwendung verschiedener Observatorien in den USA konnten wir auf dem Mars die jahreszeitlich Entwicklung der globalen Zirkulation der Atmosphäre verfolgen und so bestehende Modellvorhersagen weitgehend bestätigen. Auf der Venus konnte das globale Windfeld detailliert gemessen werden. Hierbei wurde insbesondere die zeitliche Variabilität untersucht. Die von uns festgestellte geringe kurzzeitliche Variabilität widespricht dabei teilweise vorherigen Messungen in anderen Wellenlängenbereichen. In einer zum ersten Mal durchgeführten koordinierten Messkampagne mit verschiedenen Beobachtungstechniken wurde jedoch eine weitgehende Übereinstimmung der gemessenen Werte gefunden. Zudem konnten wir im Rahmen einer weltweiten koordinierten Beobachtungskampagne zur Unterstützung der europäischen Weltraummission Venus Express wertvolle Beobachtungen zu den Windverhältnissen in der hohen Venus Atmosphäre beisteuern. Ebenfalls konnten erstmalig räumlich aufgelöste Messungen der Temperaturen in der unteren Venus Thermosphäre durchgeführt werden. Dieser Bereich der Atmosphäre in einer Höhe von ca. 110 km ist bisher nur wenig untersucht. Die ESA Sonde Venus Express kann in dieser Höhe nur Messungen auf der Nachtseite durchführen, die wir nun mit unseren Boden gebundenen Beobachtungen hervorragend komplementieren können. Dies zeigt auch exemplarisch, dass Weltraum und Boden gebundene Beobachtungen nicht zwangsläufig in Konkurrenz stehen, sondern sich vielmehr notwendig und sinnvoll ergänzen können.

Publications

• ”Fully Reflective External-Cavity Setup for Quantum-Cascade-Lasers as Local Oscillator in mid-infrared wavelength Heterodyne Spectroscopy”, Applied Optics, Volume 47, Issue 16 (2008), pp. 2993-2997
  Dusan Stupar, Jürgen Krieg, Peter Krötz, Guido Sonnabend, Manuela Sornig, Thomas Giesen and Rudolf Schieder
  
• ”Temperatures in Venus upper atmosphere from mid infrared heterodyne spectroscopy of CO2 around 10µm wavelength”, Planetary and Space Sciences, Volume 56, Issue 10, p. 1407-1413 (2008)
  G. Sonnabend, M. Sornig, T. Kostiuk, J. Delgado, R. Schieder
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.pss.2008.05.008)
• ”Ultra high spectral resolution observations of planetary atmospheres using the cologne tuneable heterodyne infrared spectrometer”, JQSRT, Volume 109, pp. 1016-1029, (2008)
  G. Sonnabend, M. Sornig, P. Krötz, D. Stupar and R. Schieder
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2007.12.003)
• ”Venus upper atmosphere winds from heterodyne spectroscopy of CO2 at 10µm wavelength”, Planetary and Space Sciences, Volume 56, Issue 10, p. 1399-1406 (2008)
  M. Sornig, T. Livengood, G. Sonnabend, P. Krötz, D. Stupar, T. Kostiuk, R. Schieder
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.pss.2008.05.006)
• ”Investigations of Upper Atmosphere Dynamics on Mars and Venus by High Resolution Infrared Heterodyne Spectroscopy of CO2” Dissertation am I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln, 2009, Cuvillier, ISBN: 3867278733
  M. Sornig
  
• ”Direct observations of Venus upper mesospheric temperatures from ground based spectroscopy of CO2”, Geophys. Res. Lett. (2010)
  G. Sonnabend, M. Sornig, P. Krötz, D. Stupar
  (See online at https://doi.org/10.1029/2010GL043335)
• ”Observations of Upper Mesosphere Temperatures on Venus and Evaluation of Mid-Infrared Detectors for the Tuneable Heterodyne Infrared Spectrometer (THIS)” Dissertation am I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln, 2010
  P. Krötz