{"id":15200,"date":"2021-03-07T00:32:13","date_gmt":"2021-03-06T23:32:13","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=15200"},"modified":"2021-03-06T17:40:01","modified_gmt":"2021-03-06T16:40:01","slug":"die-loesung-fuer-ein-ueberfluessiges-problem-wie-misst-man-die-oberflaechentemperatur-der-venus","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2021\/03\/07\/die-loesung-fuer-ein-ueberfluessiges-problem-wie-misst-man-die-oberflaechentemperatur-der-venus\/","title":{"rendered":"Die L&ouml;sung f&uuml;r ein &uuml;berfl&uuml;ssiges Problem \u2013 wie misst man die Oberfl&auml;chentemperatur der Venus?"},"content":{"rendered":"<p>Die Venus ist der unwirtlichste Planet unter den erd&auml;hnlichen Planeten (die anderen vier kann man mangels feste Oberfl&auml;che schlecht vergleichen). Keine Raumsonde hat bisher &uuml;ber 127 Minuten lang auf der Venusoberfl&auml;che &uuml;berlebt. Doch dem war nicht immer so. Seit es Teleskope gab, wurde die Venus beobachtet und lange Zeit wurde sie als erd&auml;hnlicher als der Mars angesehen. Im Teleskop erscheint die Venus v&ouml;llig strukturlos. N&auml;hert sie sich der Erde und n&auml;hert sie in Sichtlinie Sonne-Erde so sieht man im Teleskop an den Polen, dass die Spitzen weiter f&uuml;hrten, als sie eigentlich sein sollten. Das Ph&auml;nomen \u201e<a href=\"https:\/\/de.wikipedia.org\/wiki\/Lomonossow-Effekt\">Lomonossow Effekt<\/a>\u201c wurde vom gleichnamigen Gelehrten w&auml;hrend eines Venustransists richtig erkannt: eine Atmosph&auml;re umgibt die Venus und sie ist so dicht, das sie das Licht bricht und so von der beschienen Seite auf die Dunkelseite umlenkt. Bei einem Venus-Transit umgibt die Atmosph&auml;re dann die Venus als ein Ring. Auch die strukturlose Oberfl&auml;che wurde bald als eine vollst&auml;ndig geschlossene Wolkendecke interpretiert.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"https:\/\/vg01.met.vgwort.de\/na\/ad7445cbd4d941c58f51f50a6213c46f\" alt=\"\" width=\"1\" height=\"1\" \/><!--more--><\/p>\n<p>Zudem war die Venus gr&ouml;&szlig;er als der Mars und n&auml;her an der Sonne als die Erde. Man nahm an das die Wolken, wie bei der Erde aus Wasserdampf bestehen. Das sie so dicht sind, deutet darauf hin, das es auf der Venus viel Wasser gibt und es warm ist, sonst w&uuml;rde nicht so viel verdampfen. Das Klima sollte schon wegen der Sonnenn&auml;he w&auml;rmer als auf der Erde sein. Es w&auml;re dort subtropisch warm. Manche Autoren spekulierten sogar &uuml;ber Leben auf der Venus. So wurde gemutma&szlig;t das durch das Klima die Evolution dort Reptilien und Amphibien bevorzugt hat, die anders als S&auml;ugetiere wechselwarm sind und auf der Erde vor allem in warmen Klimazonen vorkommen. Manche Autoren beobachteten periodische Aufhellungen der Venus. Das wurde von einigen als gigantische Feuer gedeutet, die ein Herrscher f&uuml;r Feiern anz&uuml;ndet und die sich in den Wolken spiegeln.<\/p>\n<p>Erst das Zwanzigste Jahrhundert lies diese Erkenntnis br&ouml;ckeln und f&uuml;hrt dazu, das schon vor dem Start der ersten Raumsonde die meisten Experten die Ansicht vertraten, dass es auf der Venus kein Leben gibt und sich die Suche nach Leben im Sonnensystem auf den Mars verschob,<\/p>\n<ul>\n<li>1920 weisen die Amerikaner John und Nicholson nach, dass im Spektrum der Venus jegliche Absorptionslinien von Wasserdampf fehlen. Sie bezeichnen die Venus daher als trockenen W&uuml;stenplaneten.<\/li>\n<li>1942 entdecken Adams und Dunhof dagegen sehr deutliche Absorptionsbanden von Kohlendioxid in der Atmosph&auml;re. Die Venus muss wegen der Intensit&auml;t der Absorption sehr viel dieses Gases in der Atmosph&auml;re besitzen. Im selben Jahr postuliert Rubert Wildt das aufgrund dieser Kohlendioxidkonzentration es einen ausgepr&auml;gten Treibhauseffekt auf der Venus gibt \u2013 einen Effekt, den &uuml;brigens einige Abgeordnete der AfD bis heute leugnen, woran man ihren Stand der Bildung (und auch ihr Weltbild) einordnen kann, das offensichtlich auch in den Vierziger Jahren stehen geblieben ist.<\/li>\n<li>1956 entdeckt man durch Dopplerfrequenzmessungen die retrograde langsame Rotation der Venus und das die Atmosph&auml;re f&uuml;r Wellenl&auml;ngen von 10 GHz durchl&auml;ssig ist. Die Intensit&auml;t der Strahlung l&auml;sst auf eine Oberfl&auml;chentemperatur von 400 Grad Celsius schlie&szlig;en.<\/li>\n<li>1962 entdeckte man schlie&szlig;lich durch Radarmessungen, dass es kein Wasser in Form von Ozeanen auf der Venus geben k&ouml;nnte.<\/li>\n<\/ul>\n<p>Im selben Jahr passierte die erste Raumsonde die Venus, <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/mariner12.shtml\">Mariner 2<\/a>. Sie lieferte Daten, die auf eine Oberfl&auml;chentemperatur von 130 Grad Celsius hinwiesen. Doch wie hat man dies gemessen?<\/p>\n<p>Die ber&uuml;hrungslose Temperaturmessung funktioniert nach einem einfachen Prinzip. Jeder K&ouml;rper, der eine Temperatur gr&ouml;&szlig;er als der absolute Nullpunkt von 0 K (=-273,15 Grad Celsius) hat, gibt Strahlung ab. Gem&auml;&szlig; einem einfachen Gesetz ist das Maximum also die Wellenl&auml;nge bzw. Frequenz, bei der am meisten Strahlung abgestrahlt wird, von der Temperatur abh&auml;ngig. Die Sonne hat eine Temperatur von 5780 K und ein Maximum bei einer Wellenl&auml;nge von 550 nm. Ein K&ouml;rper, der zehnmal &#8222;k&auml;lter&#8220; ist, also 578 K hei&szlig; (immerhin immer noch 305 Grad Celsius hei&szlig;) strahlt die meiste Energie bei 5.500 nm ab, das liegt im mittleren, thermischen Infrarot. Ein K&ouml;rper mit einer Temperatur von 20 Grad Celsius, wie die Erde hat sein Strahlungsmaximum bei 10,8 \u00b5m. Durch Messung der Infrarotstrahlung kann man also auf die Temperatur schlie&szlig;en. Doch ganz so einfach ist es nicht. Ein K&ouml;rper gibt nicht nur in diesem Bereich Strahlung ab, sondern auch es ist eine Verteilungskurve. Vor allem aber gibt ein w&auml;rmerer K&ouml;rper auch in dem Bereich Strahlung ab in dem man das Maximum eines k&auml;lteren K&ouml;rpers vermuten w&uuml;rde, und zwar mehr als dieser abstrahlt.<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignleft size-medium\" src=\"https:\/\/www.pgo-online.com\/grafix\/kurven\/de\/Borofloat.gif\" width=\"521\" height=\"377\" \/>Die zweite Einschr&auml;nkung und die bedeutendere ist die, das Die Strahlung auch absorbiert werden kann. Im visuellen Bereich k&ouml;nnen wir das wahrnehmen und kennen auch den Effekt. Ist der Himmel wolkenbedeckt, so k&uuml;hlt nachts die Erde weitaus weniger aus als bei klarem Himmel. Im sichtbaren Bereich ist es relativ einfach. Ist etwas durchsichtig, so absorbiert es kaum Strahlung, ist etwas undurchsichtig so absorbiert es Strahlung. Leider korrespondieren diese Eigenschaften nicht mit anderen Wellenl&auml;ngen. Das Paradebeispiel ist Glas. Glas ist f&uuml;r uns durchsichtig, doch nur im sichtbaren Bereich. Infrarotstrahlung l&auml;sst Glas ab 2 \u00b5m Wellenl&auml;nge kaum passieren. Auf diesem Effekt beruht auch die Namensgebung des \u201eTreibhauseffektes\u201c, der fr&uuml;her auch \u201eGlashauseffekt\u201c genannt wurde. Sonnenstrahlung kann in ein Gew&auml;chshaus mit Glasw&auml;nden herin, doch die W&auml;rmstrahlung des Bodens im Bereich von 11 Mikrometern kann nicht raus, es wird dort w&auml;rmer. &Uuml;brigens ist Glas auch undurchl&auml;ssig im UV Bereich, falls ihr mal, wie mein Bruder versuchen wollt, unter einem &uuml;berglasten Balkon ein Sonnenbad zu nehmen, um braun zu werden und euch &uuml;ber den ausbleibenden Erfolg wundert. Das Bild links zeigt die Transmission, das ist 100 % -Absorption von Borsilikatglas, einem Laborglas. Normales Fensterglas hat aber &auml;hnliche Eigenschaften. Umgekehrt kann eine Atmosph&auml;re, die im visuellen undurchsichtig ist, im Infraroten in bestimmten Spektralbereichen durchl&auml;ssig sein. Rechts gibt es zwei Aufnahmen von Titan von Cassini. Eine im sichtbaren Bereich und eine im Infraroten. Man erkennt im Infraroten Oberfl&auml;chenstrukturen, wenngleich durch die dicke Atmosph&auml;re auch nicht scharf. Inzwischen wei&szlig; man auch das selbst die dichte Venusatmosph&auml;re teilweise durchl&auml;ssig ist. VIRTIS, ein abbildendes Spektrometer an Bord von <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/venus-express2.shtml\">Venus Express<\/a> erkannte in bestimmten Bereichen Formationen, die an die Aufnahmen von Radarsatelliten erinnerten und erst k&uuml;rzlich ver&ouml;ffentlichte die NASA eine Venus Aufnahme der <a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/Parker-Solar-Probe.shtml\">Parker Solar Probe<\/a> im Infraroten die die<a href=\"https:\/\/www.nasa.gov\/feature\/goddard\/2021\/parker-solar-probe-offers-a-stunning-view-of-venus\"> Umrisse von Aphrodite Terra<\/a> zeigen soll.<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignright size-medium\" src=\"\/img\/_solarsystem.nasa.gov_images_casJPGFullS101_N00289211\" width=\"1024\" height=\"1024\" \/>F&uuml;r Mariner 2 welche die Temperatur der Venus messen sollte lies man sich daher zwei Instrumente einfallen die in verschiedenen Wellenl&auml;ngenbereich arbeiten sollten und sich erg&auml;nzen sollten. Das eine Instrument war ein Infrarotradiometer. Es bestand im wesentlichen aus einem kleinen Teleskop in dessen Brennpunkt ein hochempfindlicher Temperaturmesssensor lag. Es war ein dotierter Germaniumkristall, dessen elektrische Leitf&auml;higkeit schon bei geringer Erw&auml;rmung stark anstieg. Filter lie&szlig;en nur zwei Wellenl&auml;ngenbereiche bei 8,4 und 10,4 Mikrometer passieren. In diesen Bereichen w&uuml;rde ein K&ouml;rper mit +30 und +100 Grad jeweils das Absorptionsmaximum haben. W&auml;re die Atmosph&auml;re in diesen Bereichen durchl&auml;ssig, so k&ouml;nnte man mit dem Instrument die Oberfl&auml;chentemperatur bis zu einem Maximum von 500 K messen k&ouml;nnen. Das Minimum betrug 200 K, also ein Bereich zwischen 70 und +230 Grad. Die Genauigkeit betrug nach Messungen vor dem Vorbeiflug etwa 2 Grad Celsius.<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignleft size-medium\" src=\"\/img\/_solarsystem.nasa.gov_images_casJPGFullS101_N00289212\" width=\"512\" height=\"512\" \/>Das zweite Instrument basierte auf der Entdeckung von 1956, dass kurzwellige Radiowellen die Atmosph&auml;re durchdringen k&ouml;nnen. Mariner 2 bekam eine parabolf&ouml;rmige Antenne, die Mikrowellen in einen Brennpunkt b&uuml;ndelte. Dort befanden sich zwei Empf&auml;nger mit Frequenzen von 15,8 und 22,2 GHz entsprechend einer Wellenl&auml;nge von 13.500 und 19.000 Mikrometern, also um den Faktor 1000 h&ouml;her als beim Infrarotradiometer. Da das Emissionsspektrum aber praktisch sich noch weit in den langwelligen Bereich erstreckt (aus dem Grund werden Empf&auml;nger f&uuml;r die schwachen Signale von Raumsonden auch aufwendig gek&uuml;hlt) kann man auch aus diesem Spektrum die Temperatur ableiten. Auch hier waren es zwei B&auml;nder, weil eines alleine eine zu geringe Aussage hat, denn nat&uuml;rlich emittieren in dem Bereich alle K&ouml;rper. Da die Kurve aber f&uuml;r jede Temperatur anders abnimmt, kann man durch Vergleich der Intensit&auml;ten bei zwei Bereichen hochrechnen, welche Temperatur die abnahme entspricht,<\/p>\n<p>Es lohnte sich, beide Instrumente einzusetzen. Denn das Infrarotradiometer ma&szlig; nur eine Temperatur von 240 K, entsprechend -33 Grad Celsius. Die Wissenschaftler folgerten daraus, dass dies nicht die Temperatur der Venus sein konnte, sondern die der Wolkenobergrenze. Das war korrekt. Die Venuswolken haben ihre Obergrenze zwischen 65 und 70 km H&ouml;he bei Temperaturen von -30 bis -43 Grad Celsius. Das Infrarotradiometer machte drei Scans, einen &uuml;ber die Nachtseite (gemessen wurden 400 K) einen &uuml;ber den Terminator (gemessen wurden 570 K) und einen &uuml;ber die Tagseite dort wurden 460 K gemessen. Die Messung von Temperaturen weit jenseits des Strahlungsmaximums ist schwierig, noch dazu mit den bescheidenen Mitteln, die durch die Massen, Datenraten und Strombegrenzung von Mariner 2 folgerten. So waren die Messungen des Mikrowellenradiometers auch nur auf 15 % genau, sprich die gemessenen 400 K konnten auch 340 oder 460 K sein. Aus den Messungen folgerte man auf eine deutliche Randverdunklung. Dieser optische Effekt f&uuml;hrt bei Bildern der Sonne zu einer Verdunklung der R&auml;nder, weil die Strahlung dort eine dickere Schicht durchqueren muss. Bei einer Atmosph&auml;re, die Licht schluckt, f&uuml;hrt dies zur Aufheizung an der Grenze zwischen Tag und Nacht. Das ist der einzige Zeitpunkt, wo das Sonnenlicht die ganze Atmosph&auml;re durchquert, (Tag und Nachtseite) ohne auf die Venusoberfl&auml;che zu treffen. Da der doppelte Weg so zur&uuml;ckgelegt wird, kann sich die Atmosph&auml;re dort besonders hoch aufheizen. Weiterhin war klar, dass es kaum Unterschiede zwischen Tag- und Nachtseite gab. Der wissenschaftliche Report der erst 1965 ver&ouml;ffentlicht wurde schloss aus den Messungen auf eine Oberfl&auml;chentemperatur von 400 K, also rund 130 \u00b0C, obwohl er erw&auml;hnt, dass Messungen der Radiostrahlung mittel irdischer Radioteleskope eher f&uuml;r eine Temperatur von 600 K, also 330 \u00b0C sprechen.<\/p>\n<p>Wie wir heute wissen, waren beide Werte zu niedrig. Die mittlere Temperatur an der Oberfl&auml;che liegt bei etwa 480 \u00b0C oder 723 K. Der zu niedrige Wert wurde &uuml;brigens nicht von allen als zuverl&auml;ssig angesehen und zwar hielten viele ihn f&uuml;r zu hoch. Russische Wissenschaftler glaubten nicht daran und legten die Sonden der Generation 3MV (<a href=\"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/venera1-8.shtml\">Venera 2+3 und Kosmos 96<\/a>) f&uuml;r eine maximale Temperatur von 77 \u00b0C aus. Diese Sonden starteten 1965. Erst bei der n&auml;chsten Generation, 4V ging man auf 350\u00b0C. Da die Sonden aber auch nur f&uuml;r einen Druck von maximal 10 Bar ausgelegt wurden fielen sie aus, bevor &uuml;berhaupt die Region mit dieser Temperatur erreicht wurde.<\/p>\n<p align=\"LEFT\">Zum Nachlesen: <a href=\"https:\/\/history.nasa.gov\/SP-59.pdf\">NASA SP-59 Mariner Venus 1962 Final Report<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Die Venus ist der unwirtlichste Planet unter den erd&auml;hnlichen Planeten (die anderen vier kann man mangels feste Oberfl&auml;che schlecht vergleichen). Keine Raumsonde hat bisher &uuml;ber 127 Minuten lang auf der Venusoberfl&auml;che &uuml;berlebt. Doch dem war nicht immer so. 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