Observations of Upper Mesosphere Temperatures on Venus and Evaluation of Mid-Infrared Detectors for the Tuneable Infrared Heterodyne Spectrometer (THIS)

Krötz, Peter (2010). Observations of Upper Mesosphere Temperatures on Venus and Evaluation of Mid-Infrared Detectors for the Tuneable Infrared Heterodyne Spectrometer (THIS). PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Infrared heterodyne spectroscopy today is an inherent part in planetary atmosphere observations. It is based on the superposition of the observed signal to a local oscillator and provides highest possible spectral resolution. Non-thermal emission of CO2 in the upper mesosphere of Venus was discovered by the NASA Infrared Heterodyne Spectrometer (IRHS) in the 1970s and was repeatedly target of observations since then. In the course of this thesis, data of with IRHS, its successor HIPWAC and the Cologne Tuneable Heterodyne Infrared Spectrometer (THIS) was taken or analysed. From the measured line widths the kinetic temperature of the atmosphere at the emission altitude of around 115 km could be determined. Observed temperatures are generally higher than predicted by the Venus International Reference Atmosphere (VIRA). VIRA is a empirical model mainly based on data of the Pioneer Venus space mission and exhibits only a limited data set. Other ground-based observations as well as results from Venus Express confirm the warm atmosphere at similar altitudes. At the day side of Venus and at this specific altitude, infrared heterodyne spectroscopy is currently the only method to observe temperatures. Another result is the high variability of the observed atmosphere which is not expected by the VIRA model but which was also seen in earlier mm-wavelength observations. The obtained results also set new constraints for modern global circulation models. Improving those models will lead to a improved knowledge of planetary atmospheres. As all those models are based on the Earth atmosphere model, our observations might subsequently lead to a better understanding of the terrestrial climate as well. The second part of this thesis deals with the evaluation of possible detectors for THIS to expand the wavelength coverage to longer wavelengths. Many atomic and molecular lines could be targeted within the solar system and beyond. The main target will be cold molecular hydrogen in the interstellar medium which is of highest importance in astrophysical questions concerning star forming, dark matter and cosmology. For this reason first tests at 17 micrometer wavelength were done in the course of this work.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Beobachtungen von Temperaturen in der oberen Venusmesosphäre und Evaluierung von Infrarot-Detektoren für das Tuneable Heterodyne Infrared Spectrometer (THIS)	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Infrarot Heterodyn Spektroskopie hat heute ihren Platz in der Planetenbeobachtung gefunden. Sie beruht auf der Überlagerung des beobachteten Signals mit einem Lokaloszillator und bietet höchstmögliche spektrale Auflösung. Nicht-thermische CO2 Emission in der oberen Mesosphäre der Venus wurde mit dem Infrared Heterodyne Spectrometer (IRHS) des NASA Goddard Space Flight Centers entdeckt, und seit den Siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts regelmäßig beobachtet. Daten von IRHS, dem Nachfolgegerät HIPWAC (Heterodyne Instrument for Planetary Wind and Composition) und dem Kölner Spektrometer THIS (Tuneable Heterodyne Infrared Spectrometer) wurden im Rahmen dieser Arbeit aufgenommen, bzw. ausgewertet. Anhand der Linienbreite der CO2-Emission konnte die kinetische Temperatur der Venusatmosphäre in einer Höhe von circa 115 km bestimmt werden. Im Vergleich zur Venus Referenzatmosphäre (VIRA, Venus International Reference Atmosphere) sind die erhaltenen Temperaturwerte deutlich höher, um bis zu 50 K. VIRA wurde empirisch anhand von Satellitenmissionen (hauptsächlich die Pioneer Venus Mission) erstellt und weist an vielen Stellen nur einen unzureichenden Datensatz auf. Andere bodengebundene Beobachtungen sowie Experimente an Bord des aktuellen Orbiters VenusExpress bestätigen die tendenziell wärmere Venusatmosphäre in vergleichbaren Höhen. Infrarot Heterodyn Spektroskopie ist allerdings die einzige Methode um die Temperaturen in dieser Höhe auf der Tagseite und mit hoher räumlicher Auflösung zu messen. Aus einzelnen Meßkampagnen sowie im Vergleich mit anderen Messungen ergibt sich ein extrem variables Bild der Venus Atmosphäre in 115 km Höhe. Dies war laut VIRA nicht zu erwarten und stellt Ansprüche an neue Atmosphärenmodelle. Da sich die Modelle der Planetenatmosphären in der grundlegende Physik nicht unterscheiden können Verbesserungen des Venusmodells auch dazu beitragen das Verständnis physikalischer Vorgänge in der Erdatmosphäre und somit der Entwicklung des Erdklimas zu verbessern.Weiterhin war es Ziel dieser Arbeit, den Wellenlängenbereich des THIS Spektrometers zu längerenWellenlängen zu erweitern. Zahlreiche Molekül- und Atomlinien könnten so in Planetenatmosphären und auch extrasolar beobachtet werden. Das Hauptziel dabei ist die Beobachtung von kaltem molekularen Wasserstoff im interstellaren Medium. Wasserstoff ist der grundlegende Baustein des Universums, zahlreiche Fragen der Kosmologie, z.B. die nach der dunklen Materie, oder der Sternentstehung sind mit der Verteilung und der Häufigkeit von Wasserstoff verknüpft. Erste Labortests bei 17 mikrometer Wellenlänge sowie eine Evaluierung geeigneter Detektoren wurden dazu durchgeführt.

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