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Die Evolution derDie Evolution
derVenusatmosphäreVenusatmosphäre
Helmut LammerHelmut LammerÖsterreichische Akademie der
Wissenschaften, Österreichische Akademie der Wissenschaften,
Institut für WeltraumforschungInstitut für
WeltraumforschungSchmiedlstr. 6, ASchmiedlstr. 6, A--8042 Graz,
Österreich8042 Graz, Österreich
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Venus ExpressVenus Express
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Start 9 November 2005
Ankunft bei der Venus 11 April 2006
Begin der nominalen Operationsphase Juni 2006
Ende der nominalen Operationsphase. Begin einer erweiterten
Operationsphase September2007
Ende der erweiterten Operationsphase und der Mission Januar
2009
Kürzeste Annäherung: 250-400 km
Entferntester Punkt: 66000 km
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Venus Express Venus Express →→ InstrumenteInstrumenteName
Instrument Principal Investigator
ASPERA Analyser of Space Plasma and Energetic Ions
S. Barabash, IRF, Kiruna, Sweden.
MAG* Magnetometer T. Zhang, IWF, Graz, Austria.
PFS Planetary Fourier Spectrometer (IR)
V. Formisano, IFSI-CNR, Rome, Italy.
SpicaV/SOIR* UV-IR spectrometer for stellar and solar
occultation
J.-L. Bertaux, SA-CNRS, Verriere, France.
VERA Venus Radio Science B. Häusler, Uni-BW, Muenchen,
Germany.
VIRTIS* UV-Vis-IR Mapping spectrometer P. Drossard, Obs de
Paris, Meudon, France, G. Piccioni, IASF-CNR, Rome, Italy.
VMC* Venus Monitoring Camera W. Markiewicz, MPS, Lindau,
Germany
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Spurengase Spurengase →→ aktiver aktiver Vulkanismus ?,
etc.Vulkanismus ?, etc.
96 % CO2, 3 % N2
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Dynamik der AtmosphäreDynamik der Atmosphäre
NIR: NIR: 50 km50 km
BlauBlau: 70 km
UVUV: >100 kmVIRTIS
VIRTIS spektrale Abtastung
VMC Globale Bilder
PFS Temperaturen und Winde
Dynamik der AtmosphäreSuperrotation, Winde, etc.
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SonnenwindwechselwirkungSonnenwindwechselwirkungPlasma around
Venus
ENA image at Mars
Sun
Mars
9045
ASPERA and MagnetometerGlobal plasma and neutral gasdistribution
and velocitiesMagnetic field measurementsSolar wind -
atmosphereinteractionStudy of escape processes
SPICAV/ SOIRNeutral atmosphere up to ~ 180 km
VeRaIonosphere up to ~ 600 km
Hatte die frühe Venus einen Wasser-Ozean?
Wurde die frühe Venusatmosphäre durch ein erdähnliches
Magnetfeld geschützt ?
Vergleichende Studien für Magnetfeld-Umpolungen bei der Erde
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Entstehungstheorien IEntstehungstheorien IDie klassische
Hypothese → Venus entstand “trocken”
Die relativen Anteile CH4, CO, N2 und NH3 im solaren Nebel sind
durch den folgenden chemischen Reaktionen definiert:
CH4 + H2O → CO + 3H2
und
2NH3 → N2 + 3H2
kühl ⇒ CH4 und NH3 (H2, CH4, N2, NH3, . . .)
heiß ⇒ CO und N2 (CO2, N2, . . ., H2 →Flucht)
[e.g., Lewis: Science 186, 440 – 443, 1974]
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Entstehungstheorien Entstehungstheorien IIIINeue Erkenntnisse
der Planetenentstehung
→ hatte Venus einen Wasser Ozean ?
[e.g., Morbidelli et al.: Met. Planet. Sci. 35, 1309 – 1320,
2000; Raymond et al.: Icarus 168, 1 – 17, 2004]
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HH22O in der VenusatmosphäreO in der VenusatmosphäreDie
gegenwärtige Venusatmosphäre ist trocken
→ 0.3 mbar H2OBeobachtungen von Pioneer Venus und
spektroskopischeBeobachtungen von der Erde
- Deuterium zu Wasserstoff (D/H) 1.9×10-2oder 120 ± 40 mal dem
irdischen Verhältnis
Kann man daraus schließen das die frühe Venus einen H2O Anteil
von ≈ 0.3 % (0.8 bar) eines irdischen Ozeans (1TO ≈ 265 bar) hatte
?
Nein → Wasserdampf könnte noch immer vom Innerenin die
Atmosphäre gelangen oder von Kometenimpaktein die Atmosphäre
gelangt sein
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Die frühe Sonne I Die frühe Sonne I →→
LeuchtkraftLeuchtkraft
1.34Erde
Wolken
[Guinan and Ribas: ASP 269, 85 – 107, 2002]
Die gegenwärtige Solarkonstante (SK) im Venusorbit ist
1.91ErdeVor ca. 4.5 Milliarden Jahre war die SK bei 0.7 AU ca.
1.34Erde
[e.g., Kasting: Icarus 74, 472 – 494, 1988]
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Kurze WellenlKurze Wellenläängen Xngen X--rays und EUVrays und
EUV
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Energiebilanz der oberen Atmosphäre Energiebilanz der oberen
Atmosphäre Aufheizung durch CO2, N2, O2, CO, und O Ionisation (λ
< 102.7 nm)
Aufheizung durch O2 und O3 Dissoziation durch solare
UV-Strahlung
Chemische Erwärmung durch exothermische 3-Körper Reaktionen
→ M sind CO2, N2 und CO Moleküle und O und He Atome
Wärmeleitung
Turbulente Energieverteilung
IR-Kühlung von CO2 (15 µm), CO, O3, und O (63 µm)
[Kulikov et al.: PSS in press, 2006]
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Die frühe Sonne II Die frühe Sonne II →→ XX--rays, EUVrays,
EUV
[Ribas et al.: ApJ 622, 680 – 694, 2005]
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Die frühe Sonne III Die frühe Sonne III →→
SonnenwindSonnenwind
[Ribas et al.: ApJ 622, 680 – 694, 2005]
→ Maximum expected
→ Average expected
→ Minimum expected
→Sudden cut-off ?
[Wood et al.: ApJ 574, 412 –425, 2002;Kulikov et al.: PSS in
press, 2005]
[Newkirk, Jr.: Geochi. Cosmochi. Acta Suppl., 13,
293–301;Kulikov et al.: PSS in press, 2006]
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Aufheizung der oberen Atmosphäre Aufheizung der oberen
Atmosphäre
[Kulikov et al.: PSS in press, 2006]
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COCO22/N/N22 Mischungsverhältnisse Mischungsverhältnisse
[Kulikov et al.: PSS in press, 2006]
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Was passiert bei der Verdampfung Was passiert bei der
Verdampfung eines Heines H22O OzeansO Ozeans
Die Flucht von Wasserstoff schützt die schwereren Bestandteile
in der tieferen Atmosphäre
→ Nur ca. 30 % von O kann mit dem Wasserstoff entkommen
!Ähnlichkeiten mit heißen Exoplaneten “Hot Jupiter’s”
H
HH
H
H
H
HH
H
H
H
H
H
HO, O2CO2, N2
O, O2CO2, N2
O, O2
CO2, N2
O, O2
CO2, N2
VenusO
OO
O
OO
H2O + hν → H + H + O
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Wasserstoffflucht von der Wasserstoffflucht von der frühen
Venusfrühen Venus
H2O Mischungs-verhältnis in 90 km
[Kulikov et al.: PSS in press, 2006]
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[Kulikov et al.: PSS in press 2006]
Wasserflucht von der frühen VenusWasserflucht von der frühen
Venus
Wo ist der verbliebene Sauerstoff? → verloren im Weltraum
oderoxidiert im Boden
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SonnenwindSonnenwind--WechselwirkungWechselwirkung
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Modellierung der atomaren Modellierung der atomaren
SauerstoffdichteSauerstoffdichte
[Kulikov et al.: PSS in press, 2006]
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Ionosphäre Ionosphäre →→ “heißer” Sauerstoff “heißer”
Sauerstoff
[Kulikov et al.: PSS in press, 2006]
O2+ + e → O* + O* + ∆E
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“kalter” und“kalter” und “heißer” Sauerstoff “heißer”
Sauerstoff
[Kulikov et al.: PSS in press, 2005]
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Sonnenwinderosion von SauerstoffSonnenwinderosion von
Sauerstoffüber Venus’ Vergangenheitüber Venus’ Vergangenheit
Maximum sw
Mittel sw
Minimum sw
sw cut-off
[Kulikov et al.: PSS in press, 2006]
Nur ein Verlustprozess (Pick up) von 3 Prozesse berücksichtigt
!
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Wenn Venus trocken entstand Wenn Venus trocken entstand -- wieso
wieso beobachtet man keine Anreicherung beobachtet man keine
Anreicherung
von schweren Isotopen?von schweren Isotopen?
[Lammer and Bauer: Space Sci. Rev. 106, 281-292, 2003]
Wir sollten eine Anreicherung von 18O 15N, 13C Isotopen im
Vergleichzur Erde beobachten !
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Vergleichende PlanetologieVergleichende Planetologie
Die Evolution derVenusatmosphäreVenus ExpressVenus Express
InstrumenteSpurengase aktiver Vulkanismus ?, etc.Dynamik der
AtmosphäreSonnenwindwechselwirkungEntstehungstheorien
IEntstehungstheorien IIH2O in der VenusatmosphäreDie frühe Sonne I
LeuchtkraftKurze Wellenlängen X-rays und EUVEnergiebilanz der
oberen AtmosphäreDie frühe Sonne II X-rays, EUVDie frühe Sonne III
SonnenwindAufheizung der oberen AtmosphäreCO2/N2
MischungsverhältnisseWas passiert bei der Verdampfung eines H2O
OzeansWasserstoffflucht von der frühen
VenusSonnenwind-WechselwirkungModellierung der atomaren
SauerstoffdichteIonosphäre “heißer” Sauerstoff“kalter” und “heißer”
SauerstoffSonnenwinderosion von Sauerstoffüber Venus’
VergangenheitWenn Venus trocken entstand - wieso beobachtet man
keine Anreicherung von schweren Isotopen?Vergleichende
Planetologie