SOFIA首次探测到地球高层大气中的重氧

平流层红外天文观测站（SOFIA）首次测量了地球高层大气中的重原子氧。

重氧之所以被称为重氧，是因为它有10个中子，而不是我们呼吸的“主要”氧的正常8个。重氧被视为生物活动的标志，在低层大气中很常见。这两种形式都是光合作用的副产物，但主要的氧气被生物的呼吸消耗得比重氧气更多，留下了更大浓度的重氧气。

图中显示了地球大气层的各层，以及SOFIA飞机和两个氧18和氧16分子的位置。该示意图显示了从对流层到热层的地球大气层各层。SOFIA在平流层内进行观测，并研究了高达124英里（200公里）的中层和较低的热层中主要氧气与重氧气的比例。然而，人们对这种丰富的重氧气是如何从靠近地面的产生位置渗透到大气的较高区域知之甚少。凭借其高光谱分辨率，SOFIA的GREAT仪器测量了中间层和低热层中主氧与重氧的比率，首次在实验室外对重氧进行光谱检测。

马克斯·普朗克射电天文研究所的科学家Helmut Wiesemeyer说：“这是在追踪生物活动，这已经得到了很好的证明。”。“到目前为止，这一特征延伸到的高度被认为是60公里（约37英里）——所以，几乎不到中间层的较低部分——问题是，它是否达到了更高的高度？如果达到了，因为那里没有活的生物，达到更高高度的唯一方法将是有效的垂直混合。”

换言之，这些地区重氧浓度高的唯一解释是空气的上下运动，这可能对气候变化产生重要影响。

测量重氧很复杂，因为它看起来和主氧非常相似。从平流层的高处，SOFIA可以在月球背景下将两者分开：月球的亮度使其对这些难以区分的特征具有最高的灵敏度。

这使得研究人员能够测量大气中长达200公里的主要氧气与重氧气的比率。这一结果发表在《物理评论研究》上，两种氧气的因子差异在382到468之间，与地面上的比率相似。

Wiesemeyer说：“有一些过程正在改变这些比例。对地球来说，这个过程是含氧生命。”尽管还有其他潜在的化学解释需要考虑。

Wiesemeyer和他的合作者在不确定性估计中非常保守，因此他们不能将重氧测量完全归因于生物学。例如，太阳风也可以向地球输送重氧气，但不太可能做出如此大的贡献。

这项测量两种形式氧气之间平衡的初步研究证明了大气科学家可以用来研究垂直混合的技术。这项研究的发现也有助于更好地定义地球大气层的生物学相关边界。

更雄心勃勃的是，未来可能对各种氧气特征敏感的仪器可能会使用类似的技术来测量系外行星的氧气比。高氧丰度与对这些系外行星垂直混合的理解相结合，可能表明存在生物活动——尽管该组织警告说，这样的研究需要当前技术所没有的巨大灵敏度。

Wiesemeyer说：“这个想法是，在你去其他地方进行更深入的研究之前，先了解自己门前发生了什么。”。

这些观测值即使对低轨道卫星来说也太低了，但对地面来说太敏感了。基于平流层气球的观测可能能够在未来提供潜在的后续研究。

SOFIA是美国国家航空航天局和德国航空航天中心的联合项目。德国航空航天中心为此次任务提供了望远镜、定期飞机维护和其他支持。美国国家航空航天局位于加利福尼亚州硅谷的艾姆斯研究中心与总部位于马里兰州哥伦比亚的大学空间研究协会和斯图加特大学的德国SOFIA研究所合作，管理SOFIA计划、科学和任务操作。这架飞机由美国国家航空航天局位于加利福尼亚州帕姆代尔的阿姆斯特朗飞行研究中心703号楼负责维护和运营。SOFIA于2014年实现了全面作战能力，并于2022年9月29日完成了最后一次科学飞行。