Heute mal wieder ein längerer Beitrag getreu dem Motto "Da haben wir mal \twieder was gelernt". Es geht um eine Klasse von Instrumenten, die unbemerkt \teine Blüte erlebt hat: Abbildende Spektrometer.<\/p>\n
Zuerst einmal eine Erklärung was Spektroskopie ist: Es ist die \tAufspaltung von elektromagnetischen Wellen nach ihrer Frequenz in einzelne \tMesswerte. Das ganze kann man bei allen elektromagnetischen Wellen machen, \tvon Gammastrahlen bis hin zu Langwellen. Ein Radio ist z.B. ein Spektrometer \tfür UKW Wellen. Sie selektieren einen Bereich durch die Wahl der Frequenz \tund würden sie durch alle Frequenzen durchgehen und dabei jeweils die \tLautstärke in der Y Achse notieren (die X Achse ist für die Frequenz \tbestimmt) so hätten sie ein Spektrogramm.<\/p>\n
Nun die Instrumente die ich nun bespreche arbeiten im sichtbaren Licht \tund im Infraroten. Die Sonne sendet Strahlung dieser Wellenlänge aus und \tschon im Spektrum des Sonnenlichts findet man Einbrüche – scharf begrenzte \tLinien. Diese entstehen, weil Atome in der Korona und Photosphäre der Sonne \tEnergie aus dem Licht aufnehmen und dabei Elektronen von einer Bahn auf eine \tandere springen. Jede Wellenlänge entspricht einer Energie und weil diese \tSprünge nur von einer Bahn zur anderen gehen, aber nie in den Zwischenraum \tdazwischen, wird nur Energie einer bestimmten Wellenlänge absorbiert (analog \twie wenn sie einen Ball genau in einem Basketballkorb versenken wollen – \tdazu muss er genauso so hoch wie der Korb geworfen werden – zu wenig und er \terreicht den Korb nicht, zu viel und er prallt am Schild ab.)<\/p>\n
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Kommt nun das Sonnenlicht auf einen Planeten oder Mond, so absorbieren \tdie Atmosphäre und die Oberfläche auch Energie. Die Energie regt \tAtombindungen zum Schwingen, Oszillieren und Rotieren an. Auch hier hängt \tdie Wellenlänge von der Bindung ab. Allerdings gibt es hier einen breiten \tBereich, weil die Bindung unterschiedliche Energien aufnehmen kann. Als ich \tnoch Lebensmittelchemiker war, und es keine Computer für normale Studenten \tgab, musste man z.B. unbekannte Materialen durch Spektren vergleich \tbestimmen. Man schaute in der Literatur nach welche Bindungen wo in welchem \tMuster absorbieren, dann hatte man einige Bindungen des Moleküls. Damit \tsuchte man nach Substanzen die diese Bindungen enthielten. War dort ein Teil \tdes Spektrums identisch, so hatte man einen Molekülteil identifiziert z.B. \teinen aromatischen Ring, und man konnte nach ähnlichen Verbindungen suchen, \twelche den Rest des Spektrums (die dort identifizierten Bindungen) \tenthielten. Das war zum einen sehr lehrreich, aber auch sehr öde. Ich kann \tmich noch erinnern, dass ich knapp 2 Jahre nach dem Uni Studium in einem \tPraktikum dieselbe Aufgabe von einem Laborleiter bekam, der mich wohl damit \tabwimmeln wollte. Dummerweise hatte er eine Substanz rausgesucht, die ich \tschon mal identifizieren musste und so hatte ich die Lösung nach einer \thalben Stunde anstatt der vom Laborleiter erhofften Tage.<\/p>\n
Diffiziler ist es wenn sich die Spektren überlagern, weil in der \tAtmosphäre mehrere Substanzen sind oder der Boden aus mehreren Mineralien \tbesteht. Doch auch das ist lösbar. In meinem ersten Staatsexamen bestimmte \tich 3 rote Farbstoffe, nicht wie üblich durch Dünnschichtchromatographie, \tsondern durch Spektren vergleich. Spektren liefern Daten über die \tmineralogische Zusammensetzung des Bodens und der Atmosphäre. Wie stark eine \tSubstanz absorbiert ist ein Maß für ihre Menge. Kurzum: Man erhält so die \tZusammensetzung von Planeten und Atmosphären – ohne eine direkte Analyse. \t<\/p>\n
Mineralien absorbieren Licht im sichtbaren Bereich bis zum nahen Infrarot. Organische Stoffe und flüssige bis feste (extrem kalte) Gase im nahen bis mittleren Infrarot und Atmosphärengase im mittleren bis fernen infrarot. Daher haben zahlreiche Raumsonden ein Spektrometer für das sichtbare Licht und Infrarot an Bord. Ein solch klassisches Instrument besteht aus einem Teleskop, das Licht bündelt. Im Strahlengang ist dann eine Blende, die nur noch einen Schlitz durchlässt. Das begrenzt das Licht auf eine Stelle. Das Licht trifft dann auf ein Gitter, wo es durch Brechung in Spektralfarben aufgespalten wird (vergleichbar dem Regenbogen den eine CD erzeugt9. Das so entstandene Spektrum ist dann ein langgezogener Streifen, der entweder von einer sehr langen Zeile von Detektorelementen oder wenigen Detektoren, die mit einem Schrittmotor entlang dem Spektrum bewegt werden, erfasst werden.<\/p>\n
Man erhält so ein Spektrum mit sehr hoher spektraler Auflösung, d.h. \tjedes Detektorelement deckt nur einen kleinen Wellenlängenbereich ab. \tAllerdings bekommt man es nur von einem Punkt, und man hat zwar so eine sehr \tgute spektrale Auflösung, aber eine sehr kleine räumliche Auflösung. Gute \tSpektrometer dieser Art, wie das PFS haben z.B. 10000-20000 Meßpunkte, aber \tihre räumliche Auflösung ist sehr gering. CIRS an Bord von Cassini braucht \tsehr viele Vorbeiflüge um auch nur eine halbwegs komplette Karte mit \tMessungen von Titan anzufertigen. Von den anderen Monden gibt es nur \tMessungen kleiner Ausschnitte oder eben gleich des ganzen Mondes.<\/p>\n
\t![\"CRISM\"](\"\/img\/crism-1.jpeg\")
Seit \tAnfang der 90 er Jahre hat man neue Instrumente entwickelt, eine Art Zwitter \tzwischen Spektrometer und CCD Kamera – Die Optik und das Gitter ist wie bei \teinem klassischen Spektrometer. Doch dahinter setzt nun ein Array CCD \tDetektor, z.B. mit 256 x 256 Pixeln.<\/p>\n
In der Y Richtung (Spalte) bekommt man den Schlitz zu sehen, also die \träumliche Information. In der X Richtung (Zeile), das Spektrum also die \tspektrale Information. Das alleine ist nicht viel besser als ein normales \tSpektrometer – man hat eben anstatt wenigen nun 256 Bildpunkte \tuntereinander. Doch wenn man nun durch einen Schrittmotor das Teleskop \tbewegt, erhält man Spalte für Spalte ein zweidimensionales Bild. Der Nutzen \tist dann doppelt da: Die räumliche Auflösung ist deutlich höher, als bei \teinem klassischen Spektrometer und man kann neben dem Spektrum eines Punktes \tauch ein Bild des Himmelskörpers in einer Spektralfarbe machen und so z.B. \tFalschfarbenaufnahmen machen bei denen man mit Farben das Vorkommen von \tbestimmten Mineralien kodiert.<\/p>\n
Der Hauptnachteil dieser Instrumente ist ihre enorme Datenmenge. Sie \tliefern pro Punkt viel mehr Daten als eine Kamera, selbst wenn man bedenkt \tdas IR Sensorelemente viel gröber auflösen als CCD fürs sichtbare Licht. Für \tein Bild eines Mondes von 256 x 256 Pixel räumlich, kommen pro Punkt 256 \tspektakle Messungen, also die 256 fache Menge einer Kamera derselben \tAuflösung. Daher betreibt man Cassinis Instrument meist in einem \tSummenmodus, indem es nur 64 x 64 x 64 Elemente erzeugt. Omega an Bord von \tMars Express nutzt schon 352 Spektralkanäle. Heutige CCD sind bis 1024 x \t1024 Pixel groß, würden also noch viel höhere räumliche und spektrale \tAuflösungen erlauben, doch da kommt man an die Grenze die man übertragen \tkann.<\/p>\n
Heute findet man abbildendes Spektrometer an Bord fast jeder Raumsonde – \tAuf Dawn, Rosetta und Venus Express z.B. VIRTIS. An Bord von Mars Express \tist es Omega. An Bord des MRO ist es CRISM und SIR und M3 an Bord von \tChandrayaan 1. Diese Instrumente sagen uns mehr als Kameras und sie werden \timmer wichtiger – Die Oberfläche des Mars ist heute so gut bekannt wie man \tsie für geologische Untersuchungen kennen muss, doch ihre Zusammensetzung \tist noch kaum erforscht. VIMS konnte auf den Saturnmonden unterscheiden wo \tim eis sich Ammoniak, Kohlenmonoxid und Methan befindet, wo organische \tStoffe – auf den Bildern sehen die Monde absolute einfarbig aus. Und VIRTIS \tsieht im infraroten Bodenstrukturen durch unterschiedliche Temperaturen, und \tsoll so auch nach heißen Quellen (Vulkanen) suchen.<\/p>\n
Sodele, bis in ein paar Tagen, derzeit habe ich viel zu tun….<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Heute mal wieder ein längerer Beitrag getreu dem Motto "Da haben wir mal wieder was gelernt". Es geht um eine Klasse von Instrumenten, die unbemerkt eine Blüte erlebt hat: Abbildende Spektrometer. Zuerst einmal eine Erklärung was Spektroskopie ist: Es ist die Aufspaltung von elektromagnetischen Wellen nach ihrer Frequenz in einzelne Messwerte. 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