Studija sastava gornje atmosfere uspešno je izmerila povećano prisustvo 18 O, težeg izotopa kiseonika sa 10 umesto osam neutrona. Helmut Viesemeier (MPIfR Bonn) i njegove kolege su po prvi put izmerili 18 O frakciju gornje mezosfere/donje termosfere, koristeći instrument GREAT na SOFIA-i i otkrili da gornja atmosfera ima 18 O frakciju blisku onoj u donjoj atmosfera.
Bolje razumevanje u kojoj meri biološki efekti prožimaju Zemljinu atmosferu moglo bi jednog dana pomoći istraživačima da poboljšaju svoju potragu za potencijalnim znacima života na drugim planetama.
Gde je granica između Zemljine atmosfere i svemira? Naizgled jednostavno pitanje, ali nema direktan odgovor. Vazduhoplovstvo odnosi se na takozvanu Karmanovu liniju, definisanu na nadmorskoj visini od 100 km. To je visina na kojoj hidrodinamičko podizanje definitivno prestaje, ili na kojoj sateliti ne mogu da završe ni jednu orbitu oko Zemlje, zbog trenja sa vazduhom u gornjoj atmosferi.
S druge strane, tek nedavno je otkriven magnetosferski vetar koji putuje od Zemljine jonosfere sve do Meseca, gde kontaminira izotopski sastav zemljišta, izloženog sunčevom vetru.
Ovaj zemaljski otisak prsta mogao bi se smatrati jedinstvenim u Sunčevom sistemu jer potencijalno nosi potpis respiratornog metabolizma. Dolov efekat opisuje nejednakost u odnosu teškog izotopa 18 O prema lakšem 16 O, mereno u atmosferi i morskoj vodi. Razlog je sledeći: kiseonik, koji nastaje kao otpadni proizvod fotosinteze, uglavnom nasleđuje svoj izotopski sastav iz vodosnabdevanja, dok disanje prvenstveno uništava lakšu verziju kiseonika.
Efikasno vertikalno mešanje prenosi ovaj dobro proučeni bio-potpis do stratosfere. Dalje mešanje vazduha u više atmosferske slojeve (mezosferu i termosferu) je dokazano pre jedne decenije. Termosfera je osnovna tačka za vetar jona kiseonika koji izlaze u Zemljinu plazmu, ali njen izotopski sastav kiseonika je još uvek nepoznat.
„U našem pokušaju da daljinski izmerimo izotopski sastav kiseonika u mezosferi i nižoj termosferi Zemlje, koristimo relativistički efekat, zahvaljujući kome se osnovno elektronsko stanje atomskog kiseonika deli na tri nivoa fine strukture“, kaže Helmut Vizemajer iz Institut Maks Plank za radioastronomiju MPIfR), vodeći autor publikacije.
„Radijativni prelazi iz jednog kvantnog stanja u drugo stvaraju infracrvene spektralne linije. One se dalje cepaju kada se dodaju jedan ili dva neutrona u jezgro: centar gravitacije atoma je pomeren, što dovodi do neznatne promene karakterističnih frekvencija linija fine strukture .“
Poreklom iz mezosfere i niže termosfere Zemlje, ove spektralne linije se pojavljuju u jakoj apsorpciji naspram izvora svetle infracrvene pozadine, i stoga daju vredne otiske prstiju hemije u ovom regionu.
„Prvi put bismo mogli da identifikujemo spektroskopski potpis ovog pomeranja izotopa u spektralnim linijama atomskog kiseonika u prirodi. Nalazi se u okruženju daleko od zemaljskih laboratorija i teško je dostupno za studije na licu mesta – previsoko za balone, i prenisko za satelite koji kruže oko Zemlje“, objašnjava Rolf Gusten, takođe iz MPIfR-a, koji je do 2018. bio glavni istraživač za VELIKI instrument na brodu SOFIA koji je omogućio detekciju.
„Naša zapažanja omogućavaju da se identifikuje spektralna linija 18 O u režimu Teraherca u apsorpciji na Mesecu.“
„Ovde smo došli do punog kruga: jačina spektralne linije od teškog 18 O, u odnosu na njen ekvivalent iz glavnog izotopa 16 O, omogućava nam da daljinski izmerimo relativno obilje obe vrste“, dodaje Jirgen Stutzki sa Univerziteta u Kelnu. , koji je preuzeo dužnost PI za GREAT instrument u oktobru 2018.
„Na osnovu merenja iz stratosferske opservatorije, zaključujemo vrednosti koje su reprezentativne za nižu atmosferu, a ne za solarni vetar koji dominira tamo gde međuplanetarno magnetno polje preuzima polje od Zemljinog.
Ipak, porota je još uvek van: na do sada postignutoj osetljivosti, još uvek se ne može odlučiti da li se prati odnos biogenih izotopa koji karakteriše molekularni kiseonik koji dominira u nižoj atmosferi ili ozon stratosferskog. Potrebno je više merenja da bi se postigla veća osetljivost. Nagrađivan poduhvat, takođe zato što poreklo izotopskog zapisa ozona još nije u potpunosti shvaćeno; smatra se da nastaje iz klase brzih hemijskih reakcija koje razmenjuju izotope među svojim partnerima.
„Pokazali smo da se u mezosferi i nižoj termosferi ove reakcije takmiče sa neelastičnim sudarima koji izazivaju kvantna stanja bez promene ni električnog naboja ni hemijskih veza. Ovo takmičenje podrazumeva neravnotežnu populaciju kvantnih stanja prizemnog nivoa od 18 O, koje ne razmatra prethodnih studija, i za razliku od termodinamičke ravnoteže pronađene u 16 O“, kaže Heinz-Vilhelm Hubers sa DLR instituta za optičke senzorske sisteme u Berlinu.
„Relativna jačina izmerenih spektroskopskih linija je od ključnog značaja za dokazivanje različitih distribucija stanovništva. Zajedno sa empirijskim podacima za koncentracije atomskog i molekularnog kiseonika u gornjim slojevima atmosfere, ovo je dovoljno da ispravi naše određivanje izotopske frakcije. Naša zapažanja sa balonom eksperiment OSAS-B ide u tom pravcu.“
Na prvi pogled, čini se da potreba za takvom korekcijom dodaje neželjenu složenost analizi. Na drugi pogled, on pruža alat za proučavanje uticaja izotopskih reakcija razmene između atomskog i molekularnog kiseonika koje se dešavaju pre nego što se ozon formira dobro poznatom hemijom. Ovo zahteva treće telo koje služi kao katalizator, koje ima u izobilju u stratosferi, ali sve ređe na ciljanim višim visinama i u mezosferi i u termosferi.
Na kraju, ali ne i najmanje važno, pravila selekcije koja nameće kvantna teorija impliciraju snažnu zavisnost brzine kolizione pobude od temperature, nadmećući se sa razmenom izotopa. Ovaj efekat bi se na kraju mogao koristiti kao dopuna potvrđivanju empirijskih modela gornje atmosfere.
„U vreme pisanja ovih redova još nismo spremni: budući eksperimenti će biti potrebni da bi se došlo do konačnog rezultata, praćenja infracrvenog neba, u nastavku uspešnih programa za posmatranje iz vazduha“, zaključuje Helmut Vizmajer.
