Die Lösung für ein überflüssiges Problem – wie misst man die Oberflächentemperatur der Venus?

Die Venus ist der unwirtlichste Planet unter den erdähnlichen Planeten (die anderen vier kann man mangels feste Oberfläche schlecht vergleichen). Keine Raumsonde hat bisher über 127 Minuten lang auf der Venusoberfläche überlebt. Doch dem war nicht immer so. Seit es Teleskope gab, wurde die Venus beobachtet und lange Zeit wurde sie als erdähnlicher als der Mars angesehen. Im Teleskop erscheint die Venus völlig strukturlos. Nähert sie sich der Erde und nähert sie in Sichtlinie Sonne-Erde so sieht man im Teleskop an den Polen, dass die Spitzen weiter führten, als sie eigentlich sein sollten. Das Phänomen „Lomonossow Effekt“ wurde vom gleichnamigen Gelehrten während eines Venustransists richtig erkannt: eine Atmosphäre 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 Atmosphäre dann die Venus als ein Ring. Auch die strukturlose Oberfläche wurde bald als eine vollständig geschlossene Wolkendecke interpretiert.

Zudem war die Venus größer als der Mars und näher 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 würde nicht so viel verdampfen. Das Klima sollte schon wegen der Sonnennähe wärmer als auf der Erde sein. Es wäre dort subtropisch warm. Manche Autoren spekulierten sogar über Leben auf der Venus. So wurde gemutmaßt das durch das Klima die Evolution dort Reptilien und Amphibien bevorzugt hat, die anders als Säugetiere 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 für Feiern anzündet und die sich in den Wolken spiegeln.

Erst das Zwanzigste Jahrhundert lies diese Erkenntnis bröckeln und führt 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,

• 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 Wüstenplaneten.
• 1942 entdecken Adams und Dunhof dagegen sehr deutliche Absorptionsbanden von Kohlendioxid in der Atmosphäre. Die Venus muss wegen der Intensität der Absorption sehr viel dieses Gases in der Atmosphäre besitzen. Im selben Jahr postuliert Rubert Wildt das aufgrund dieser Kohlendioxidkonzentration es einen ausgeprägten Treibhauseffekt auf der Venus gibt – einen Effekt, den übrigens 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.
• 1956 entdeckt man durch Dopplerfrequenzmessungen die retrograde langsame Rotation der Venus und das die Atmosphäre für Wellenlängen von 10 GHz durchlässig ist. Die Intensität der Strahlung lässt auf eine Oberflächentemperatur von 400 Grad Celsius schließen.
• 1962 entdeckte man schließlich durch Radarmessungen, dass es kein Wasser in Form von Ozeanen auf der Venus geben könnte.

Im selben Jahr passierte die erste Raumsonde die Venus, Mariner 2. Sie lieferte Daten, die auf eine Oberflächentemperatur von 130 Grad Celsius hinwiesen. Doch wie hat man dies gemessen?

Die berührungslose Temperaturmessung funktioniert nach einem einfachen Prinzip. Jeder Körper, der eine Temperatur größer als der absolute Nullpunkt von 0 K (=-273,15 Grad Celsius) hat, gibt Strahlung ab. Gemäß einem einfachen Gesetz ist das Maximum also die Wellenlänge bzw. Frequenz, bei der am meisten Strahlung abgestrahlt wird, von der Temperatur abhängig. Die Sonne hat eine Temperatur von 5780 K und ein Maximum bei einer Wellenlänge von 550 nm. Ein Körper, der zehnmal „kälter“ ist, also 578 K heiß (immerhin immer noch 305 Grad Celsius heiß) strahlt die meiste Energie bei 5.500 nm ab, das liegt im mittleren, thermischen Infrarot. Ein Körper mit einer Temperatur von 20 Grad Celsius, wie die Erde hat sein Strahlungsmaximum bei 10,8 µm. Durch Messung der Infrarotstrahlung kann man also auf die Temperatur schließen. Doch ganz so einfach ist es nicht. Ein Körper gibt nicht nur in diesem Bereich Strahlung ab, sondern auch es ist eine Verteilungskurve. Vor allem aber gibt ein wärmerer Körper auch in dem Bereich Strahlung ab in dem man das Maximum eines kälteren Körpers vermuten würde, und zwar mehr als dieser abstrahlt.

Die zweite Einschränkung und die bedeutendere ist die, das Die Strahlung auch absorbiert werden kann. Im visuellen Bereich können wir das wahrnehmen und kennen auch den Effekt. Ist der Himmel wolkenbedeckt, so kühlt 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 Wellenlängen. Das Paradebeispiel ist Glas. Glas ist für uns durchsichtig, doch nur im sichtbaren Bereich. Infrarotstrahlung lässt Glas ab 2 µm Wellenlänge kaum passieren. Auf diesem Effekt beruht auch die Namensgebung des „Treibhauseffektes“, der früher auch „Glashauseffekt“ genannt wurde. Sonnenstrahlung kann in ein Gewächshaus mit Glaswänden herin, doch die Wärmstrahlung des Bodens im Bereich von 11 Mikrometern kann nicht raus, es wird dort wärmer. Übrigens ist Glas auch undurchlässig im UV Bereich, falls ihr mal, wie mein Bruder versuchen wollt, unter einem überglasten Balkon ein Sonnenbad zu nehmen, um braun zu werden und euch über den ausbleibenden Erfolg wundert. Das Bild links zeigt die Transmission, das ist 100 % -Absorption von Borsilikatglas, einem Laborglas. Normales Fensterglas hat aber ähnliche Eigenschaften. Umgekehrt kann eine Atmosphäre, die im visuellen undurchsichtig ist, im Infraroten in bestimmten Spektralbereichen durchlässig sein. Rechts gibt es zwei Aufnahmen von Titan von Cassini. Eine im sichtbaren Bereich und eine im Infraroten. Man erkennt im Infraroten Oberflächenstrukturen, wenngleich durch die dicke Atmosphäre auch nicht scharf. Inzwischen weiß man auch das selbst die dichte Venusatmosphäre teilweise durchlässig ist. VIRTIS, ein abbildendes Spektrometer an Bord von Venus Express erkannte in bestimmten Bereichen Formationen, die an die Aufnahmen von Radarsatelliten erinnerten und erst kürzlich veröffentlichte die NASA eine Venus Aufnahme der Parker Solar Probe im Infraroten die die Umrisse von Aphrodite Terra zeigen soll.

Für Mariner 2 welche die Temperatur der Venus messen sollte lies man sich daher zwei Instrumente einfallen die in verschiedenen Wellenlängenbereich arbeiten sollten und sich ergänzen 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 Leitfähigkeit schon bei geringer Erwärmung stark anstieg. Filter ließen nur zwei Wellenlängenbereiche bei 8,4 und 10,4 Mikrometer passieren. In diesen Bereichen würde ein Körper mit +30 und +100 Grad jeweils das Absorptionsmaximum haben. Wäre die Atmosphäre in diesen Bereichen durchlässig, so könnte man mit dem Instrument die Oberflächentemperatur bis zu einem Maximum von 500 K messen können. 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.

Das zweite Instrument basierte auf der Entdeckung von 1956, dass kurzwellige Radiowellen die Atmosphäre durchdringen können. Mariner 2 bekam eine parabolförmige Antenne, die Mikrowellen in einen Brennpunkt bündelte. Dort befanden sich zwei Empfänger mit Frequenzen von 15,8 und 22,2 GHz entsprechend einer Wellenlänge von 13.500 und 19.000 Mikrometern, also um den Faktor 1000 höher als beim Infrarotradiometer. Da das Emissionsspektrum aber praktisch sich noch weit in den langwelligen Bereich erstreckt (aus dem Grund werden Empfänger für die schwachen Signale von Raumsonden auch aufwendig gekühlt) kann man auch aus diesem Spektrum die Temperatur ableiten. Auch hier waren es zwei Bänder, weil eines alleine eine zu geringe Aussage hat, denn natürlich emittieren in dem Bereich alle Körper. Da die Kurve aber für jede Temperatur anders abnimmt, kann man durch Vergleich der Intensitäten bei zwei Bereichen hochrechnen, welche Temperatur die abnahme entspricht,

Es lohnte sich, beide Instrumente einzusetzen. Denn das Infrarotradiometer maß 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 Höhe bei Temperaturen von -30 bis -43 Grad Celsius. Das Infrarotradiometer machte drei Scans, einen über die Nachtseite (gemessen wurden 400 K) einen über den Terminator (gemessen wurden 570 K) und einen über 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 führt bei Bildern der Sonne zu einer Verdunklung der Ränder, weil die Strahlung dort eine dickere Schicht durchqueren muss. Bei einer Atmosphäre, die Licht schluckt, führt dies zur Aufheizung an der Grenze zwischen Tag und Nacht. Das ist der einzige Zeitpunkt, wo das Sonnenlicht die ganze Atmosphäre durchquert, (Tag und Nachtseite) ohne auf die Venusoberfläche zu treffen. Da der doppelte Weg so zurückgelegt wird, kann sich die Atmosphäre dort besonders hoch aufheizen. Weiterhin war klar, dass es kaum Unterschiede zwischen Tag- und Nachtseite gab. Der wissenschaftliche Report der erst 1965 veröffentlicht wurde schloss aus den Messungen auf eine Oberflächentemperatur von 400 K, also rund 130 °C, obwohl er erwähnt, dass Messungen der Radiostrahlung mittel irdischer Radioteleskope eher für eine Temperatur von 600 K, also 330 °C sprechen.

Wie wir heute wissen, waren beide Werte zu niedrig. Die mittlere Temperatur an der Oberfläche liegt bei etwa 480 °C oder 723 K. Der zu niedrige Wert wurde übrigens nicht von allen als zuverlässig angesehen und zwar hielten viele ihn für zu hoch. Russische Wissenschaftler glaubten nicht daran und legten die Sonden der Generation 3MV (Venera 2+3 und Kosmos 96) für eine maximale Temperatur von 77 °C aus. Diese Sonden starteten 1965. Erst bei der nächsten Generation, 4V ging man auf 350°C. Da die Sonden aber auch nur für einen Druck von maximal 10 Bar ausgelegt wurden fielen sie aus, bevor überhaupt die Region mit dieser Temperatur erreicht wurde.

Zum Nachlesen: NASA SP-59 Mariner Venus 1962 Final Report