SOFIA вперше виявила важкий кисень у верхніх шарах атмосфери Землі

Стратосферна обсерваторія інфрачервоної астрономії (SOFIA) зробила перше в історії вимірювання важкого атомарного кисню у верхніх шарах атмосфери Землі. Важкий кисень називається так тому, що він має 10 нейтронів, а не звичайні вісім «основного» кисню, формою якого ми дихаємо. Важкий кисень розглядається як ознака біологічної активності, поширеної в нижніх шарах атмосфери. Обидві форми є побічними продуктами фотосинтезу, але основний кисень споживається під час дихання живих істот більше, ніж його важкий аналог, залишаючи більшу концентрацію важкого кисню..

Однак мало відомо про те, як цей надлишок важкого кисню проникає з місця його створення біля землі у вищі регіони атмосфери. Завдяки високій спектральній роздільній здатності прилад SOFIA GREAT виміряв співвідношення основного й важкого кисню в мезосфері та нижній термосфері, здійснивши перше спектроскопічне виявлення важкого кисню за межами лабораторії.

«Це відстеження біологічної активності — це добре доведено», — сказав Гельмут Віземейєр, науковий співробітник Інституту радіоастрономії Макса Планка. «Поки що вважалося, що висота, на яку поширюється ця ознака, становить 60 кілометрів [приблизно 37 миль] — отже, ледве нижня частина мезосфери — і питання полягало в тому, чи досягає вона більших висот? І якщо так, оскільки там немає живих організмів, єдиним способом досягти більшої висоти буде ефективне вертикальне змішування».

Іншими словами, єдиним поясненням великих концентрацій важкого кисню в цих регіонах є рух повітря вгору і вниз, що може мати важливі наслідки для зміни клімату.

Вимірювання важкого кисню є складним, оскільки він дуже схожий на основний кисень. Зверху в стратосфері SOFIA могла розділити їх на тлі Місяця: яскравість Місяця забезпечувала найвищу чутливість до цих особливостей, які важко розрізнити. Це дозволило дослідникам виміряти співвідношення основного до важкого кисню до 200 кілометрів в атмосфері. Результати, опубліковані в Physical Review Research , варіювалися від 382 до 468 факторів різниці в двох типах кисню, подібно до співвідношення на землі.

«Є процеси, які змінюють ці співвідношення. Для Землі цей процес є кисневим життям», — сказав Віземейєр, хоча є й інші потенційні хімічні пояснення, які слід розглянути.

Віземейер та його співробітники були дуже консервативними у своїх оцінках невизначеності, тому вони не можуть повністю віднести свої вимірювання великого кисню до біології. Сонячний вітер, наприклад, також може доставляти важкий кисень на Землю, але навряд чи він зробить такий великий внесок.

Це пілотне дослідження, що вимірює баланс між двома формами кисню, доводить техніку, яку атмосферні вчені можуть використовувати для вивчення вертикального змішування. Результати дослідження також можуть допомогти краще визначити біологічно релевантну межу атмосфери Землі.

Більш амбітно, майбутні інструменти, які можуть бути чутливими до різних сигнатур кисню, потенційно можуть використовувати подібні методи для вимірювання співвідношення кисню на екзопланетах. Поєднання високого вмісту кисню з розумінням вертикального змішування на цих екзопланетах може вказувати на біологічну активність, хоча група попереджає, що таке дослідження вимагатиме величезної чутливості, якої немає в сучасних технологіях.

«Ідея полягає в тому, щоб спочатку зрозуміти, що відбувається перед вашими власними дверима, перш ніж приступати до більш глибоких досліджень деінде», — сказав Віземейєр.

Ці спостереження занадто низькі навіть для низькоорбітальних супутників, але надто чутливі, щоб проводити їх із землі. Спостереження на основі стратосферних повітряних куль можуть запропонувати потенційні подальші дослідження в майбутньому.

SOFIA був спільним проєктом NASA та Німецького космічного агентства DLR. DLR надав телескоп, планове технічне обслуговування літаків та іншу підтримку для місії. Дослідницький центр Еймса NASA в Кремнієвій долині Каліфорнії керував програмою SOFIA, наукою та операціями місії у співпраці з Асоціацією космічних досліджень університетів зі штаб-квартирою в Колумбії, штат Меріленд, і німецьким інститутом SOFIA при Штутгартському університеті. Літак обслуговувався та експлуатувався Центром льотних досліджень імені Армстронга НАСА, будівля 703, у Палмдейлі, Каліфорнія. SOFIA досягла повної оперативної спроможності у 2014 році й завершила свій останній науковий політ 29 вересня 2022 року.