Lo Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) ha effettuato la prima misurazione in assoluto dell’ossigeno atomico pesante nell’alta atmosfera terrestre:
L’ossigeno pesante è così chiamato perché ha 10 neutroni, invece dei normali otto dell’ossigeno “principale”, la forma che respiriamo. L’ossigeno pesante è visto come una firma dell’attività biologica, comune nella bassa atmosfera. Entrambe le forme sono sottoprodotti della fotosintesi, ma l’ossigeno principale viene consumato dalla respirazione degli esseri viventi più della sua controparte pesante, lasciando dietro di sé una maggiore concentrazione di ossigeno pesante.
Poco si sa, tuttavia, su come questa abbondanza di ossigeno pesante permei dalla posizione della sua creazione vicino al suolo nelle regioni più alte dell’atmosfera. Con la sua elevata risoluzione spettrale, lo strumento GREAT di SOFIA ha misurato il rapporto tra ossigeno principale e ossigeno pesante nella mesosfera e nella termosfera inferiore, effettuando la prima rilevazione spettroscopica di ossigeno pesante al di fuori di un laboratorio.
“Sta tracciando l’attività biologica – questo è ben dimostrato”, ha detto Helmut Wiesemeyer, uno scienziato del Max Planck Institute for Radio Astronomy. “Finora, si pensava che l’altitudine a cui si estende questa firma fosse di 60 chilometri [circa 37 miglia] – quindi, appena la parte inferiore della mesosfera – e la domanda era: raggiunge altitudini più elevate? E se lo fa, poiché non ci sono organismi viventi lassù, l’unico modo per raggiungere quote più elevate sarebbe un efficiente mescolamento verticale“.
In altre parole, l’unica spiegazione per le grandi concentrazioni di ossigeno pesante in queste regioni è il movimento verso l’alto e verso il basso dell’aria, che può avere importanti implicazioni per il cambiamento climatico. Misurare l’ossigeno pesante è complesso perché sembra così simile all’ossigeno principale. Dall’alto della stratosfera, SOFIA potrebbe separare i due su uno sfondo lunare: la luminosità della Luna ha consentito la massima sensibilità a queste caratteristiche difficili da distinguere. Ciò ha permesso ai ricercatori di misurare i rapporti tra ossigeno principale e ossigeno fino a 200 chilometri nell’atmosfera. I risultati – pubblicati su Physical Review Research – variavano da una differenza di 382 a 468 fattori nei due tipi di ossigeno, simile al rapporto sul terreno.
“Ci sono processi che stanno alterando questi rapporti. Per la Terra, questo processo è la vita ossigenata”, ha detto Wiesemeyer, sebbene ci siano anche altre potenziali spiegazioni chimiche da considerare. Wiesemeyer ei suoi collaboratori erano molto prudenti nelle loro stime di incertezza, quindi non possono attribuire completamente le loro misurazioni di ossigeno pesante alla biologia. Il vento solare, ad esempio, può anche fornire ossigeno pesante alla Terra, ma è improbabile che dia un contributo così grande.
Questo studio pilota che misura l’equilibrio tra le due forme di ossigeno dimostra una tecnica che gli scienziati atmosferici potrebbero utilizzare per studiare la miscelazione verticale. I risultati dello studio possono anche aiutare a definire meglio un confine biologicamente rilevante dell’atmosfera terrestre. Più ambiziosamente, gli strumenti futuri che potrebbero essere sensibili a varie firme di ossigeno possono potenzialmente utilizzare tecniche simili per misurare i rapporti di ossigeno negli esopianeti. Una combinazione di elevate abbondanze di ossigeno con una comprensione della miscelazione verticale su questi esopianeti potrebbe indicare attività biologica, anche se il gruppo avverte che un tale studio richiederebbe enormi sensibilità che le attuali tecnologie non hanno.
“L’idea è di capire prima cosa succede davanti alla tua porta prima di approfondire gli studi altrove”, ha detto Wiesemeyer. Queste osservazioni sono troppo basse anche per i satelliti in orbita bassa, ma troppo sensibili per essere fatte da terra. Le osservazioni basate sul pallone stratosferico potrebbero essere in grado di offrire potenziali studi di follow-up in futuro.
SOFIA era un progetto congiunto della NASA e dell’Agenzia spaziale tedesca al DLR. DLR ha fornito il telescopio, la manutenzione programmata dell’aeromobile e altro supporto per la missione. L’Ames Research Center della NASA nella Silicon Valley in California ha gestito il programma SOFIA, la scienza e le operazioni di missione in collaborazione con la Universities Space Research Association, con sede a Columbia, nel Maryland, e il German SOFIA Institute presso l’Università di Stoccarda. L’aereo è stato mantenuto e gestito dall’Armstrong Flight Research Center Building 703 della NASA, a Palmdale, in California. SOFIA ha raggiunto la piena capacità operativa nel 2014 e ha concluso il suo ultimo volo scientifico il 29 settembre 2022.
