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First detection of the atomic O18 isotope in the mesosphere and lower thermosphere of Earth

Hübers, Heinz-Wilhelm und Richter, Heiko und Wiesemeyer, Helmut und Güsten, Rolf und Aladro, Rebeca und Klein, Bernd und Graf, Urs U. und Justen, Matthias und Okada, Yoko und Stutzki, Jürgen (2023) First detection of the atomic O18 isotope in the mesosphere and lower thermosphere of Earth. Physical Review Research, Seiten 1-19. American Physical Society. doi: 10.1103/PhysRevResearch.5.013072. ISSN 2643-1564.

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Kurzfassung

In the lower atmosphere of Earth, oxygen contains a higher fraction of the heavy O18 isotope than ocean water does (Dole effect). This isotopic enrichment is a signature of biological activity, set by the equilibrium between oxygenic photosynthesis and respiratory metabolisms in terrestrial and oceanic ecosystems. While the mixing between stratospheric and tropospheric oxygen leads to a slow isotopic homogenization, little is known about the isotopic oxygen enrichment in the mesosphere and thermosphere of Earth. In situ measurements from rocket-borne air samplers are limited to altitudes below the mesopause, while higher layers have only been accessible through the analysis of the oxidation of ancient cosmic spherules. Here we report the detection of the far-infrared fine-structure lines (3P1<-3P2 and 3P0<-3P1) of O18 in absorption against the Moon, and determine the O16/O18 ratio in atomic oxygen from the mesosphere and lower thermosphere in absorption. After correcting for isotopic exchange between atomic and molecular oxygen, our values for the bulk O16/O18 ratio of 468 and 382 in February and November 2021, respectively, fall significantly below that found in solar wind samples (530±2), and encompass, within uncertainties, the corresponding ratios pertaining to the Dole effect in the troposphere (487), and those found in stratospheric ozone (429 to 466). We show that with existing technology, future, more sensitive measurements will allow us to monitor deviations from isotopic homogeneity in the mesosphere and lower thermosphere of Earth by remote sensing. We demonstrate that the collisional excitation of the fine-structure levels of the P3 ground-state triplet of O18 may compete with isotopic exchange reactions, implying a deviation from the Boltzmann distribution that would be established under local thermodynamic equilibrium.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/198441/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:First detection of the atomic O18 isotope in the mesosphere and lower thermosphere of Earth
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Hübers, Heinz-WilhelmGerman Aerospace Center (DLR)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Richter, HeikoGerman Aerospace Center (DLR)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wiesemeyer, HelmutMax-Planck-Institut für RadiostromaticNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Güsten, RolfMax-Planck-Institut für RadiostromaticNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Aladro, RebecaMax-Planck-Institut für RadiostromaticNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Klein, BerndMax-Planck-Institut für RadiostromaticNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Graf, Urs U.I. Physikalisches Institut, Universität zu KölnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Justen, MatthiasI. Physikalisches Institut, Universität zu KölnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Okada, YokoI. Physikalisches Institut, Universität zu KölnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Stutzki, JürgenI. Physikalisches Institut, Universität zu KölnNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:1 Februar 2023
Erschienen in:Physical Review Research
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1103/PhysRevResearch.5.013072
Seitenbereich:Seiten 1-19
Verlag:American Physical Society
ISSN:2643-1564
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Terahertz, Sauerstoff, Atmosphäre, SOFIA, Isotop, oxygen, atmosphere, isotope
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Terahertz-Spektrometer für atomaren Sauerstoff in der Mesosphäre/Thermosphäre
Standort: Berlin-Adlershof
Institute & Einrichtungen:Institut für Optische Sensorsysteme > Terahertz- und Laserspektroskopie
Hinterlegt von: Frohmann, Sven
Hinterlegt am:24 Okt 2023 08:52
Letzte Änderung:04 Apr 2024 15:07

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