Satellit fängt Kohlendioxid-Aurora aus dem Weltraum ein

Während der Nachthimmel mit seinen „Nordlichtern“ oder Polarlichtern seit Jahrhunderten die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern und Himmelsbeobachtern auf sich zieht, ist über die mit Kohlendioxid verbundenen Polarlichter bisher viel weniger bekannt.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Geophysikalische ForschungsbriefeWissenschaftler haben mithilfe von Satellitenmessungen globale Beobachtungen von Polarlichtern im Zusammenhang mit Kohlendioxid enthüllt.

Wenn wir an Polarlichter denken, stellen wir uns oft grelle grüne und rote Lichter vor, die am Himmel tanzen. Mit der Aurora sind jedoch zahlreiche Emissionen verbunden, die in verschiedenen Regionen der Atmosphäre auftreten, von denen die meisten für das menschliche Auge nicht sichtbar sind.

Die Erdatmosphäre besteht aus mehreren Schichten. In der Troposphäre erleben wir den größten Teil des Wetters auf der Erde. Die nächste Schicht, die Stratosphäre, enthält die Ozonschicht der Erde, die uns vor der schädlichen ultravioletten Strahlung der Sonne schützt. Die mittlere Schicht ist die Mesosphäre, in der Meteore verglühen, wenn sie auf die schnell zunehmende Dichte der Erdatmosphäre treffen. Über dieser Schicht befindet sich die Thermosphäre, die sich zwischen 80 km und 700 km über der Erdoberfläche befindet und die Ionosphäre, den Teil der Atmosphäre mit geladenen Ionen und Elektronen, überlappt.

In der Nähe des Bodens der Thermosphäre befindet sich der „Rand des Weltraums“ – auch Karman-Linie genannt, in etwa 100 km Höhe. Die Karman-Linie gibt die Höhe an, in der Satelliten umkreisen können. Viele Polarlichtemissionen treten im Thermosphären- und Ionosphärenbereich der Erdatmosphäre auf. Die häufig beobachteten grünen und roten Polarlichter treten aufgrund eines angeregten Zustands von atomarem Sauerstoff in einer Höhe von etwa 100 km bzw. 250 km auf.

Wenn energiereiche Teilchen in die Erdatmosphäre prallen, interagieren sie mit einer Mischung aus Atomen und Molekülen. Eines dieser Moleküle ist Kohlendioxid. Während Kohlendioxid für seine Auswirkungen auf die Troposphäre als Treibhausgas bekannt ist, kommt es auch in Spurenmengen in der Erdatmosphäre am Rande des Weltraums vor.

Hoch über der Erde, etwa 90 km (56 Meilen), wird Kohlendioxid während eines Polarlichts zu Schwingungen angeregt und sendet mehr Infrarotstrahlung aus, als normalerweise in der Atmosphäre beobachtet wird.

Um erhöhte Infrarotsignale von Kohlendioxid während eines Polarlichts zu beobachten, nutzte die Hauptautorin und Wissenschaftlerin der Arizona State University, Katrina Bossert, zusammen mit einem internationalen Forscherteam den Atmospheric Infrarot Sounder, der täglich Infrarotenergie sammelt, die weltweit von der Erdoberfläche und der Atmosphäre abgegeben wird. Seine Daten liefern 3D-Temperatur- und Wasserdampfmessungen durch die atmosphärische Säule sowie eine Vielzahl von Spurengasen, Oberflächen- und Wolkeneigenschaften an Bord des Aqua-Satelliten der NASA.

Das international kooperierende Wissenschaftsteam beobachtete während eines Polarlichts erhöhte Infrarotsignale von Kohlendioxid. Die Arbeit an der Isolierung dieser Emissionen liefert einen Datensatz für zukünftige Forschungen zur weltweiten Untersuchung von Polarlichtern und energiereichen Partikelniederschlägen.

„Dies bietet eine neue Möglichkeit, das Polarlicht der Erde aus dem Weltraum zu beobachten. Unterschiedliche Polarlichtemissionen können mit unterschiedlichen Höhen und Teilchenenergien in Verbindung gebracht werden“, sagte Bossert, Assistenzprofessor an der School of Earth and Space Exploration und der School of Mathematical and Statistical Sciences der ASU . „Kohlendioxid-Aurora-Emissionen treten in der Region auf, die wir als den Rand des Weltraums betrachten, etwas tiefer in der Höhe als dort, wo Satelliten normalerweise umkreisen. Die Beobachtungen könnten Einblicke in physikalische Prozesse liefern, die mit der Aurora verbunden sind.“

Während zuvor bekannt war, dass Kohlendioxid während eines Polarlichts angeregt werden kann, liefert dieser Datensatz und diese Analysemethode die ersten täglichen globalen Beobachtungen über Regionen der nördlichen und südlichen Hemisphäre mithilfe eines Nadir-beobachtenden Satelliteninstruments. Die Satellitenmessungen erstrecken sich über mehr als 20 Jahre und können für zukünftige Studien zu Polarlichtern und energetischen Teilchenwechselwirkungen mit der Erdatmosphäre genutzt werden.

Weitere Studienautoren sind Lars Hoffmann vom Jülich Supercomputing Centre, Martin Mlynczak vom NASA Langley Research Center und Linda Hunt von Science Systems and Applications Inc.