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Venus Express - Experimente 

SPICAV

Bild vergrößernModell des SPICAM-Experiments
©ESA
»Venus Express
Mit dem SPICAV-Experiment an Bord des europäischen Venus Express-Orbiters wird die Zusammensetzung und die vertikale Schichtung der Venusatmosphäre untersucht. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Verteilung des Wasserdampfs und von Treibhausgasen gelegt.

Ähnlich wie bei dem Infrarot-Spektrometer (PFS) befanden sich Vorgänger dieses Systems schon an Bord anderer Sonden (Pioneer, Galileo, Cassini und Mars Express). SPICAV wird aber das erste Instrument zur Untersuchung der Venus sein, das die Technologie eines Ultraviolett- und Infrarot-Spektrometer mit der Sternenbedeckungstechnik kombiniert. Dieses hat sich als sehr effektiv bei Untersuchungen der Erde, Mars und der äußeren Planeten gezeigt.

Sein Messprinzip ist ähnlich dem des PFS-Instruments: Atome und Moleküle der Marsatmosphäre werden dadurch erfasst, dass die empfangene Strahlung nach ganz bestimmten charakteristischen Wellenlängen ("Farben") durchsucht wird. Unterschiedliche chemische Substanzen verschlucken (absorbieren) unterschiedliche Farben des Sonnenlichts und sie senden (emittieren) Strahlung mit charakteristischen Wellenlängen aus. SPICAV verfügt über 2 unterschiedliche "Augen". Mit dem einen kann es Ultraviolett-Strahlung im Wellenlängenbereich 118 - 320 Nanometer, mit dem anderen Infrarot-Strahlung mit Wellenlängen von 1 - 1,7 Mikrometer erfassen.

Mit den beiden Sensoren SPICAV-IR und SPICAV-UV folgende Untersuchungen durchführt werden:
  • Messung der Vorkommen an SO und SO (SPICAV-UV)
  • Bestimmung des UV-Albedo (SPICAV-UV)
  • Erstellen von vertikalen Profilen der Atmosphärendichte in bis zu 180 km Höhe (SPICAV-UV)
  • Bestimmung der Wasservorkommen über den Wolken, Tagseite (SPICAV-IR)
  • Sondierung der Oberfläche in 0,7 bis 1,3 µm Fenstern (SPICAV-IR)}
  • Bestimmung der Wasservorkommen unter den Wolken auf der Nachtseite (SPICAV-IR)
  • Beobachtung der 1,27 µm O Emission
  • Untersuchung der vertikalen Verteilung von Wasser und Treibhausgasen


Das "UV-Auge" (SPICAV-UV) kann dabei 3 unterschiedliche Blickrichtungen einnehmen. Im so genannten Nadir-Modus wird das Instrument direkt auf den Venusmittelpunkt gerichtet, d.h. auf die Venusoberfläche direkt unterhalb des Orbiters. Die so erfasste UV-Strahlung stammt ursprünglich von der Sonne, sie wurde am Venusboden reflektiert und durchquerte anschließend die Venusatmosphäre in vertikaler Richtung. Eine Durchleuchtung der Atmosphäre in horizontaler Richtung wird im "solaren oder stellaren Bedeckungsmodus" ermöglicht. Das Instrument zielt dazu quer durch die Atmosphäre auf die Sonne oder einen Stern, wenn diese oder dieser gerade hinter dem Venushorizont hervorkommt. Mit dem Spektrometer werden dann die von der Atmosphäre verschluckten charakteristischen "Farben" aus der direkt empfangenen Strahlung herausgefiltert. Auch im dritten Beobachtungsmodus, dem "Rand-Modus" (limb pointing) zielt das Instrument wie im stellaren Bedeckungsmodus quer durch die Atmosphäre. Allerdings wird dabei ausdrücklich kein Stern angepeilt. Stattdessen registriert der UV-Detektor jetzt das charakteristische "Eigenleuchten" der einzelnen atmosphärischen Bestandteile.

Das "Infrarot-Auge" (SPICAV-IR) des SPICAV-Instruments wird nur im Nadir-Modus verwendet. Im Nadir-Modus misst SPICAV mit seinen beiden Detektoren gleichzeitig die Gesamtmenge an Ozon und Wasserdampf, die sich in dem gedachten zylinderförmigen Volumen mit 10 Quadratkilometer Querschnitt unterhalb der Sonde bis zum Venusboden erstreckt. Ozon absorbiert UV-Licht mit 250 Nanometer Wellenlänge, während Wasserdampf Infrarot-Strahlung mit 1,38 Mikrometer Wellenlänge verschluckt. Im Verlauf der gesamten Mission wird so der jahreszeitliche Verlauf der beiden Substanzen im Detail aufgezeichnet. Mit SPICAV soll getestet werden, ob die bisherigen theoretischen Vorstellungen stimmen, dass immer dann, wenn viel Ozon in Atmosphäre ist, der Wasserdampfgehalt besonders gering sein sollte, und umgekehrt.

Bild vergrößernSPICAM Infrarot-Spektrum
©ESA
»Venus Express

Falls die bisherigen Überlegungen stimmen, könnte damit auch indirekt der atmosphärische Gehalt an aggressiven OH-Molekülen berechnet werden. Das OH-Radikal entsteht, wenn UV-Strahlung ein Wasserstoffatom (H) von einem Wassermolekül (HO) abspaltet.

Um den atmosphärischen Gehalt an Ozon und Kohlendioxid in den einzelnen Höhenschichten herauszubekommen, wird SPICAV im "solaren oder stellaren Bedeckungsmodus" betrieben. Die Dichte der Atmosphäre und ihre zeitlichen Schwankungen müssen bekannt sein, wenn künftige Missionen mit Hilfe der "Luftbremse" in einen bestimmten Orbit gebracht werden oder punktgenau auf der Venusoberfläche auftreffen sollen.

Bei der Erforschung des Kohlendioxid- und Wasserdampfgehalts der Venusatmosphäre ergänzen sich SPICAM und das PFS-Experiment. Während mit PFS die untere Atmosphäre untersucht wird, wird mit SPICAV die Kohlendioxiddichte im Höhenbereich 20 - 300 km bestimmt. Insbesondere bei der Frage nach dem globalen Zyklus des Wasserdampfes im Verlauf der Jahreszeiten liefern SPICAV und PFS gemeinsam wertvolle Daten.

Gemeinsam mit dem ASPERA-Experiment wird mit SPICAV auch die Ionosphäre untersucht. Elektrisch geladene Teilchen (Ionen) entstehen immer dann, wenn energiereiche Sonnenstrahlung oder Partikel des Sonnenwindes auf die Gasatome oder -moleküle der Hochatmosphäre treffen und aus deren Atomhülle Elektronen entreißt. Kohlendioxid- und Kohlenmonoxidionen strahlen charakteristische UV-Strahlung im Wellenlängenbereich 200 - 290 Nanometer ab.

Um dieses "Eigenleuchten" zu erfassen, wird SPICAV tagsüber, wenn die Ionosphäre besonders stark ausgeprägt ist, im "Rand-Modus" eingesetzt. Mit dieser Methode kann dann nach und nach ein komplettes Bild der oberen Atmosphäre und der Ionosphäre zusammengesetzt werden.





 
 
 
 

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22.02.2015

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Autor dieses Artikels:  Prof. Dr. Bruno Deiss

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