Ohne CO2 wäre Leben auf der Erde nicht möglich. Nicht nur, weil CO2 Grundlage allen Lebens ist, zentraler Stoff der Photosynthese, nicht nur, weil CO2 in der unteren Atmosphäre ausgehende Infrarotstrahlung zurückstrahlt und für ein Klima auf der Erde sorgt, das Leben unterstützt, sondern auch weil CO2 in der Thermosphäre, 100 bis 300 Kilometer über dem Boden, auf dem wir stehen, Infrarotstrahlung der Sonne zurück ins All reflektiert und auf diese Weise gemeinsam mit NO, Stickstoffmonoxid, dafür sorgt, dass der Energiehaushalt der Erde im Gleichgewicht bleibt.
Forscher von NASAs Langley Research Center nutzen seit gut 20 Jahren die Daten von SABER, einen Messinstrument das infrarote Rückstrahlung von der Erde ins All erfassen soll, um den Kühleffekt, den NO und CO2 in der Thermosphäre ausüben, zu dokumentieren. Im Verlauf ihrer Tätigkeit, haben sie einen klaren Zusammenhang zwischen der IR-Rückstrahlung (gemessen in W(att)) ins All und Sonnenzyklen festgestellt.
Die Thermosphäre reagiert offenkundig auf die 11jährigen Sonnenzyklen: Während eines Sonnenminimus kühlt sich die Thermosphäre ab, während eines Sonnenmaximums erwärmt sich die Thermosphäre – der wichtigste Weg, über den Sonnenzyklen die Erde beeinflussen.
Eine sich erwärmende Thermosphäre dehnt sich aus, vergrößert den Radius der Erdatmosphäre und erhöht damit den Luftwiderstand, auf den Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen treffen, letztlich ein Maß für ihre Lebensdauer. Eine warme Thermosphäre verkürzt die Lebensdauer von Satelitten.
Die Abbildung oben stellt den TCI, den „Thermosphere Climate Index“ (TCI) dar, einen in Watt angegebenen Wert, für die Wärme die Stickstoffoxidmoleküle (NO) in der Thermosphäre in den Weltraum abgeben. NO entsteht auf natürliche Weise in der Thermosphäre und ist eine Art schnelle Eingreiftruppe, die den Planeten vor Folgen, die z.B. Sonnenstürme haben, abschirmt. NO folgt in seiner Konzentration normalerweise den 11jährigen Sonnenzyklen, während eines Sonnensturms kann die Dichte von NO indes dramatisch zunehmen.
NO nimmt in Proportion zur Sonnenstrahlung zu, je mehr Einstrahlung desto mehr NO. Dagegen ist CO2 in seiner Konzentration beständiger und in niedrigeren Bereichen der Thermosphäre aktiv, quasi die Hausmacht, die der Vorhut nachfolgt. Steigende CO2-Konzentrationen wirken sich auch in der Thermosphäre aus: Sie kühlen, reduzieren die Temperatur in der Thermosphäre und schaffen auf diese Weise bessere erdnahe Bedingungen u.a. für Satelliten.
Die Thermosphäre absorbiert extreme ultraviolette (EUV) und ultraviolette (UV) Strahlung der Sonne sowie Energie aus geomagnetischen Stürmen. Um das thermische Gleichgewicht der Erde aufrechtzuerhalten, muss diese Energie abgestrahlt werden.
In der Thermosphäre ist der primäre Mechanismus zur Abkühlung in den Weltraum die Infrarotstrahlung durch Spurengase, da die Atmosphäre bei diesen Wellenlängen in den entscheidenden Bändern optisch dünn ist. Ohne eine effiziente Ifrarot (IR)-Abkühlung wären die Temperaturen dramatisch höher.
NO (bei 5,3 μm) und CO₂ (nahe 15 μm) unterhalb von ~250 km sind die dominierenden Kühlgase. SABER misst die Strahlungsintensitäten am Rand der Atmosphäre in bestimmten Kanälen, woraus Mlynczak et al. (2024) die Volumenemissions- bzw. Abkühlungsraten (in nW/m³) ableiten und diese global integrieren, um die gesamte abgestrahlte Leistung (in Watt) zu ermitteln.
Mlynczak, Martin G., Linda Hunt, Nabil Nowak, B. Thomas Marshall, and Christopher J. Mertens (2024). Infrared radiation in the thermosphere from 2002 to 2023. Geophysical Research Letters 51(14): e2024GL109470.
In ihrer Studie zeigen Mlynczak et al. (2024) auf Grundlage der Daten von SABER wie eng der Zusammenhang zwischen NO und CO₂ und der Strahlungsleistung der Sonne ist.
Dasselbe Molekül, das für Temperaturen sorgt, die Leben auf der Erde möglich machen, in dem es IR-Strahlung, die von der Erdoberfläche reflektiert wird, „einfängt“ und damit zu Temperaturen im Band, in dem Leben möglich ist, beiträgt, reflektiert gemeinsam mit NO in der Thermosphäre Sonnenstrahlung zurück ins All und sorgt auf diese Weise für Kühlung, eine ausgeglichene Energiebilanz und einmal mehr dafür, dass Leben auf der Erde möglich ist.