研究人员在地球平流层中检测到重氧同位素

对高层大气成分的研究成功地测量到18O的存在增加，这是一种较重的氧同位素，具有10个而不是8个中子。HelmutWiesemeyer(MPIfRBonn)和他的同事使用SOFIA上的GREAT仪器首次测量了中层上层/热层下层的18O分数，发现高层大气中的18O分数接近于下层大气的18O分数气氛。

更好地了解生物效应在多大程度上渗透到地球大气层，有朝一日可以帮助研究人员改进他们对其他行星上潜在生命迹象的搜索。

地球大气层和太空的边界在哪里?一个看似简单的问题，却没有直截了当的答案。航空航天应用指的是所谓的卡门线，定义在海拔100公里的高度。这是一个流体动力升力绝对停止的高度，或者由于与高层大气中空气的摩擦，卫星无法完成绕地球的单一轨道的高度。

另一方面，直到最近才发现磁层风，从地球的电离层一直传播到月球，在那里它污染了暴露在太阳风下的土壤的同位素组成。

这种地球指纹在太阳系中可以被认为是独一无二的，因为它可能带有呼吸代谢的特征。多尔效应描述了在大气和海水中测得的重同位素18O与较轻的16O之比的不平等。原因如下：氧气作为光合作用的废物产生，主要从供水中继承其同位素组成，而呼吸作用优先破坏较轻的氧气。

高效的垂直混合将这种经过充分研究的生物特征带到平流层。十年前已经证明空气进一步混合到更高的大气层(中间层和热层)。热层是进入地球等离子体层的氧离子风的基点，但其氧同位素组成仍然未知。

“在我们尝试远程测量地球中间层和较低热层中氧气的同位素组成时，我们使用了相对论效应，由于这种效应，原子氧的电子基态分裂成三个精细结构水平，”来自该研究所的HelmutWiesemeyer说。马克斯普朗克射电天文学研究所MPIfR)，该出版物的主要作者。

“从一种量子态到另一种量子态的辐射跃迁会产生红外光谱线。当向原子核添加一个或两个中子时，它们会进一步分裂：原子的重心发生位移，导致特征精细结构线频率发生轻微变化”

这些谱线起源于地球的中间层和较低的热层，在明亮的红外背景源的强烈吸收下出现，因此提供了该地区化学的宝贵指纹。

“这是第一次，我们可以在自然界中识别原子氧光谱线中这种同位素位移的光谱特征。它所处的环境远离地面实验室，而且难以进行原位研究——对气球来说太高了，并且对于地球轨道卫星来说太低了，”同样来自MPIfR的RolfGüsten解释说，直到2018年，他一直是SOFIA上GREAT仪器的首席研究员，这使得探测成为可能。

“我们的观察可以识别18O在太赫兹范围内对月球吸收的光谱线。”

科隆大学的JürgenStutzki补充说：“在这里，我们又回到了原点：重18O的谱线强度，相对于主同位素16O的等效谱线，使我们能够远程测量这两种物质的相对丰度。”，他于2018年10月接任GREATinstrument的PI。

“根据平流层天文​​台的测量，我们推断出代表低层大气的值，而不是太阳风在行星际磁场取代地球磁场的地方占主导地位。”

然而，目前尚无定论：在目前达到的灵敏度下，尚无法确定是否追踪到表征低层大气或平流层臭氧的分子氧特征的生物同位素比率。需要更多的测量才能获得更高的灵敏度。一项有益的努力，还因为臭氧同位素记录的起源尚未完全了解;它被认为是由一类快速化学反应在其伙伴之间交换同位素引起的。

“我们表明，在中间层和较低的热层中，这些反应与非弹性碰撞竞争，在不改变电荷或化学键的情况下激发量子态。这种竞争需要18O的地面量子态的非平衡种群，未被考虑之前的研究，并与16O中发现的热力学平衡形成对比，”柏林DLR光学传感器系统研究所的Heinz-WilhelmHübers说。

“测得的光谱线的相对强度对于证明不同的人口分布至关重要。连同高层大气中原子和分子氧浓度的经验数据，这足以纠正我们对同位素分馏的确定。我们对气球的观察OSAS-B实验正在朝那个方向发展。”

乍一看，这种修正的必要性似乎给分析增加了不必要的复杂性。乍一看，它提供了一种工具，可以通过众所周知的化学研究在臭氧形成之前发生的原子氧和分子氧之间的同位素交换反应的影响。这需要第三个天体作为催化剂，它在平流层中含量丰富，但在中间层和热层的目标更高海拔地区越来越少。

最后但同样重要的是，量子理论强加的选择规则暗示碰撞激发速度对温度的强烈依赖性，与同位素交换竞争。这种效应最终可能被用作补充，以证实高层大气的经验模型。

“在撰写这些内容时，我们还没有准备好：未来的实验将需要得出最终结果，监测红外天空，继续成功的机载观测计划，”HelmutWiesemeyer总结道。

该研究发表在《物理评论研究》杂志上。