Atmosphärische Forschung mit großen astronomischen Einrichtungen

Astronomische Beobachtungen vom Erdboden aus sind stark von physikalischen Vorgängen in der Atmosphäre beeinflusst. Das Licht eines astronomischen Objektes wird gestreut und absorbiert. Außerdem wird Licht anderer Quellen und Emissionen der Atmosphäre selbst der Messung hinzugefügt`. Daher enthält jede Beobachtung auch Information über den Zustand der Atmosphäre während der Beobachtung. In Anbetracht der großen Datenmenge, die jede Nacht von astronomischen Einrichtungen produziert werden, sind die archivierten Daten ein Schatz für die Atmosphärenwissenschaften. Im Besonderen ermöglicht die Verwendung von Teleskopen mit Hauptspiegeln der 10m-Klasse eine Studie der Atmosphäre in hoher spektraler wie räumlicher Auflösung, und hohem Signal-zu- Rausch-Verhältnis (Rauschabstand). Dies ist mit den bisherigen Instrumenten der Atmosphärenwissenschaften in dieser Form bisher nicht möglich. Deshalb schlagen wir vor, spektroskopische Daten vom Archiv des Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte am Cerro Paranal in Chile zu verwenden, um Eigenschaften der Atmosphäre der Erde zu studieren. Spektren mittlerer und hoher Auflösung des X-Shooter Spektrographen erlauben uns den simultan beobachteten Wellenlängenbereich von 0.3 bis 2.5 Mikrometer zu analysieren. Auf diese Weise werden wir in der Lage sein die Intensitäten und die Variabilität von Airglow-Linien und -Bändern, die in über 80 km durch Chemilumineszenz erzeugt werden, zu studieren. Wir werden in der Lage sein die bisher nur durch wenige Airglow-Linien bestimmten Temperaturen der Mesopause besser zu evaluieren. Diese bilden die Basis der wichtigsten Methode für Untersuchungen des Klimawandels in der oberen Atmosphäre. Außerdem untersuchen wir die Intensität, die Variabilität und den Ursprung vom Airglow-Kontinuum, das besonders im Licht des nahen Infrarots fast unerforscht ist. Deshalb sind neue Entdeckungen in diesem Bereich sehr wahrscheinlich. Zudem ist der Cerro Paranal ein idealer Standort für Studien der Eigenschaften von Aerosolen mit langen Verweilzeiten in der (sub)tropischen Troposphäre und Stratosphäre. Die niedrigen optischen Tiefen dieser Aerosole, die dort gemessen werden können, sind kaum von lokalen Aerosolstrahlungsquellen beeinflusst. Da vergleichbare Standorte in der Südhemisphäre für Forscher in diesem Fachgebiet Mangelware sind, werden neue Befunde zur Variabilität und zum Ursprung dieser Komponenten erwartet. Die Ergebnisse der vorgeschlagenen atmosphärischen Studien werden auch für eine Verbesserung unseres Modells des Nachthimmels für den Cerro Paranal berücksichtigt, welches für die Planung und Kalibrierung astronomischer Beobachtungen enorm wichtig ist. Wir erwarten daher auch, dass astronomische Datenreduktionsverfahren von diesem Projekt profitieren.

Bodengebundene astronomische Beobachtungen werden von der Erdatmosphäre beeinflusst. Das Licht eines astronomischen Ziels wird durch atmosphärische Strahlung gestreut, absorbiert und überlagert. Daher enthält jede Beobachtung Informationen über den Zustand der Atmosphäre während der Exposition. Angesichts der großen Datenmengen, die jede Nacht von astronomischen Einrichtungen produziert werden, sind die archivierten Daten ein Schatz für die Atmosphärenwissenschaften. Dies ist heute in der geophysikalischen Gemeinschaft nach unseren Präsentationen der Ergebnisse auf den internationalen Konferenzen weitgehend akzeptiert. Wir verwendeten hauptsächlich spektroskopische Daten aus dem Archiv des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte im Cerro Paranal in der chilenischen Atacamawüste. Spektren des Spektrographen X-Shooter mit mittlerer bis hoher Auflösung (Wellenlängenbereich von nahem UV bis nahem IR) wurden verwendet. Zusätzlich wurden Daten des hochauflösende Spektrographen-UVES (rotes optisches Licht) verwendet. Auf diese Weise konnten wir die Intensität und Variabilität aller prominenten nächtlichen Luftglühlinien und -banden untersuchen, die in der oberen Erdatmosphäre erzeugt wurden. Das stärkste unerwartete Ergebnis war die Größe der Abweichung der Intensitätsverhältnisse der OH-Linien von denen, die für ein lokales thermodynamisches Gleichgewicht erwartet wurden. Dies führte dazu, dass Temperaturmessungen auf der Grundlage dieser Linien (die für die Klimaforschung bei etwa 90 km wichtig sind) um einige Grad korrigiert werden müssen. Wir fanden auch heraus, dass diese Effekte während der Nacht variieren und von der effektiven Luftdichte in der Emissionsschicht abhängen.Neben einzelnen Linien von Molekülen wie OH untersuchten wir auch das schwache optische Pseudokontinuum durch FeO-Emission. Zum ersten Mal könnte dies auf Basis von mehreren tausend Spektren systematisch durchgeführt werden. Metalle wie Fe stammen von meteorischen Staubpartikeln, die ständig aus dem Weltraum abgegeben werden. Eine neue Zusammenarbeit ermöglichte sogar einen Vergleich unserer Ergebnisse mit denen eines theoretischen Modells, das unser Verständnis der atmosphärischen Metallchemie verbesserte.In der Endphase des Projekts wurden Erweiterungen der nördlichen Hemisphäre begonnen. Zu diesem Zweck wurde eine Kooperation mit dem SDSS / APO / MaNGA Surveying Telescope Team für zukünftige Arbeiten aufgebaut.