Universität zu Köln

Stangier, Tobias (2015). Atmospheric Thermal Properties of Venus and Mars. Investigation of CO2 Absorption Lines using Ground-Based Mid-Infrared Heterodyne Spectroscopy. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Atmospheric thermal properties of different altitude layers of terrestrial planets can be deduced from pressure-broadened molecular transition features. Ground-based heterodyne spectroscopy is used to observe the nightside of Venus by probing single pressure-broadened CO2 absorption lines at around 10 µm. In addition, a dayside spectrum of Mars, also containing a pressure-broadened absorption feature was investigated. Infrared heterodyne spectroscopy is sensitive to those atmospheric layers, which can be identified as the absorption line formation region. These layers correspond to an altitude range in the Venusian mesosphere between ~60 and ~95km. On Mars, the line formation region is located in the troposphere between the surface and an altitude of ~35km. Retrieval of atmospheric parameters is based on a Levenberg-Marquard chi-squared optimization that iteratively compares observed data to telluric transmittance corrected planetary top-of-atmosphere spectra calculated using a radiative transfer algorithm. A sophisticated proof of concept is performed to investigate the influence of the altitude resolution and to demonstrate the reliability of the newly developed retrieval technique. During two observing campaigns in March and May 2012, four different locations on the Venusian nightside hemisphere were investigated. In this thesis, the retrieval of vertical temperature profiles in the nightside atmosphere of Venus using mid-infrared heterodyne spectroscopy is reported for the first time. The retrieval can be deduced with an altitude resolution of ~4.5km. The retrieved profiles are compared to existing space- and ground-based observations as well as to the Venus International Reference Atmosphere. The temperatures found are in good agreement to other retrieval techniques. Emphasis is given to the comparison of the temperatures from one specific location to thermal profiles simultaneously obtained with the Venus Express Radio Science Experiment during a coordinated observing campaign in May 2012. Sub-Doppler resolution infrared heterodyne observations can now provide temperature measurements on the dark side of Venus that complement those techniques. Analysis of a broad CO2 absorption feature obtained at the Martian dayside during an observing campaign in 2010 is performed and a preliminary temperature profile is retrieved. This profile is compared to predictions from the Mars Climate Database and found to be in satisfactory agreement. A further detailed poof of concept is provided, addressing the specific preconditions of the Martian atmosphere and analyzing the contribution of the solar induced non-thermal CO2 emission on the retrieval method. It is found, that the deduction of atmospheric dayside temperatures on Mars is subject to additional restrictions, which are due to the thin atmosphere and the multifarious topography.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die thermischen Eigenschaften verschiedener atmosphärischer Höhenlagen erdähnlicher Planeten können aus druckverbreiterten Molekülübergängen ermittelt werden. Mittels bodengebundener Heterodynspektroskopie werden einzelne solcher druckverbreiterten \coo -Absorptionslinien bei 10µm Wellenlänge auf der Nachtseite des Planeten Venus beobachtet. Au{\ss}erdem wird ein Spektrum von der Tagseite des Mars untersucht, welches ebenfalls eine verbreiterte Absorptionslinie aufweist. Infrarot-Heterodynspektroskopie ist auf die atmosphärischen Schichten sensitiv, in denen die Absorption stattfindet. Auf der Venus entspricht dies Höhenlagen in der Mesosphäre zwischen ~60--95km. Auf dem Mars findet die Absorption in der Troposphäre zwischen der Oberfläche und einer Höhe von ~35km statt. Die atmosphärischen Parameter werden mit einer auf dem Levenberg-Marquard-Optimierungsalgorithmus basierenden Rückwärtsroutine erlangt. Diese vergleicht iterativ die Beobachtungsdaten mit Planetenspektren, welche mit Hilfe eines Strahlungstransportmodells unter Berücksichtigung des irdischen spektralen Transmissionsgrads in der obersten planetaren Atmosphäre errechnet wurden. Ein detaillierter proof of concept wird durchgeführt, um den Einfluss der Höhenauflösung zu untersuchen und um die Verlässlichkeit der neu entwickelten Routine zu bestätigen. Während zweier Beobachtungskampagnen, die im März und im Mai 2012 stattgefunden haben, sind vier verschiedene Positionen auf der Nachtseite der Venus beobachtet worden. In dieser Arbeit werden erstmalig die an den jeweiligen Positionen erlangten Temperaturprofile präsentiert. Die Höhenauflösung der erhaltenen Profile beträgt ~4.5\,km. Die so erhaltenen Profile werden mit bereits bekannten Temperaturmessungen anderer luft- und bodengebundener Beobachtungsmethoden, sowie mit der Venus International Reference Atmosphere verglichen. Die gemessenen Temperaturen stimmen gut mit den gefundenen Daten anderer Beobachtungstechniken überein. Ein besonderes Augenmerk liegt auf dem Vergleich der an einer speziellen Beobachtungsposition erhaltenen Temperaturen mit denen, die zeitgleich während einer koordinierten Messreihe im Mai 2012 mit dem Venus Express Radio Science Experiment}gemessen worden sind. Zusätzlich zu existierenden Beobachtungstechniken können nunmehr heterodyne Infrarot-Beobachtungen von hochaufgelösten Spektrallinien Temperaturmessungen von der Nachtseite der Venus liefern. Die Untersuchung von verbreiterten CO2-Absorptionslinien auf der Tagseite vom Mars wurde an einem Spektrum durchgeführt, das während einer Beobachtungs-kampagne im Jahr 2010 aufgenommen wurde. Die vorläufigen Ergebnisse des erhaltenen Temperaturprofils werden hier nun präsentiert. Das erhaltene Profil wird mit einer Vorhersage aus der Mars Climate Database verglichen, zu der eine zufriedenstellende Übereinstimmung gefunden werden kann. Ein weiterer, ausführlicher proof of concept wird durchgeführt, um die besonderen atmosphärischen Bedingungen für den Mars zu berücksichtigen und um den Beitrag der, da durch Sonneneinstrahlung hervorgerufen nur auf der Tagseite präsenten, nicht-thermischen Emissionslinien auf die Auswerteroutine zu untersuchen. Die Auswertung von atmosphärischen Temperaturen auf der Tagseite des Mars unterliegt zusätzlichen Einschränkungen, die in erster Linie von der dünnen Atmosphäre und der vielfältigen Topografie der Marsoberfläche herrühren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Stangier, Tobias stangier@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-59723
Date:	February 2015
Publisher:	München: Hut
ISBN:	978-3-8439-1933-3
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language heterodyne spectroscopy; Venus; Mars; atmospheric temperatures; English
Date of oral exam:	13 October 2014
Referee:	Name Academic Title Labadie, Lucas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5972