重氧之所以被稱為重氧，是因為它有10個中子，而不是我們呼吸的通常的8個“主”氧。重氧被視為生物活動的標誌，常見於低層大氣。這兩種形式都是光合作用的副產品，但主要的氧氣被生物的呼吸消耗得比它的重對手多，留下了更大濃度的重氧氣。
這張示意圖顯示了地球大氣層，從對流層到熱大氣層。SOFIA在平流層內進行觀測，並研究了中間層和低熱層中主要氧與重氧的比例，直到大約124英裏(200公裏)的高度。Credit: NASA/SOFIA/L. Proudfit
然而，很少有人知道這種豐富的重氧是如何從地麵附近的生成位置滲透到大氣的更高區域的。憑借其高光譜分辨率，SOFIA的大型儀器測量了中間層和低熱層中主要氧與重氧的比率，首次在實驗室外對重氧進行了光譜檢測。
馬克斯·普朗克射電天文學研究所的科學家赫爾穆特·維塞邁爾說:“這是在追蹤生物活動——這一點已經得到了很好的證明。”“到目前為止，這個信號延伸到的高度被認為是60公裏[約37英裏]——所以，幾乎是中間層的較低部分——問題是，它會到達更高的高度嗎？如果是這樣的話，因為上麵沒有生物，到達更高海拔的唯一方法就是有效的垂直混合。”
換句話說，對這些地區重氧大量集中的唯一解釋是空氣的上下運動，這可能對氣候變化有重要影響。
測量重氧很複雜，因為它看起來與主氧非常相似。在平流層上，索菲亞可以在月球背景下將兩者分開:月球的亮度使其對這些難以分辨的特征具有最高的靈敏度。
這使得研究人員能夠測量高達200公裏的大氣中主氧與重氧的比率。發表在《物理評論研究》上的結果顯示，這兩種氧的差異從382到468不等，與地麵上的比例相似。
“有一些過程正在改變這些比率。對地球來說，這個過程是有氧生命，”Wiesemeyer說——盡管也有其他潛在的化學解釋需要考慮。
Wiesemeyer和他的合作者在他們的不確定性估計中非常保守，所以他們不能完全將他們的重氧測量歸因於生物學。例如，太陽風也可以向地球輸送大量氧氣，但它不太可能做出如此大的貢獻。
這項測量兩種形式氧氣之間平衡的試點研究證明了大氣科學家可以用來研究垂直混合的技術。這項研究的發現還可以幫助更好地定義地球大氣的生物學相關邊界。
更雄心勃勃的是，未來可能對各種氧信號敏感的儀器可能會使用類似的技術來測量係外行星的氧比率。高氧含量結合對這些係外行星垂直混合的理解，可能表明生物活動——盡管該小組警告說，這樣的研究將需要當前技術不具備的巨大靈敏度。
“這個想法是在你去其他地方進行更深入的研究之前，先了解你自己家門口發生了什麽，”Wiesemeyer說。
即使對低軌道衛星來說，這些觀測值也太低了，但從地麵上觀測又太敏感了。平流層氣球觀測也許能夠在未來提供潛在的後續研究。
SOFIA是美國航天局和德國航天局在德國航天中心的一個聯合項目。德國航天中心為這次飛行任務提供了望遠鏡、預定的飛機維護和其他支持。美國宇航局位於加利福尼亞州矽穀的埃姆斯研究中心與總部位於馬裏蘭州哥倫比亞的大學空間研究協會和位於斯圖加特大學的德國索非亞研究所合作管理索非亞計劃、科學和任務運作。這架飛機由美國宇航局位於加利福尼亞州帕姆代爾的阿姆斯特朗飛行研究中心703號樓維護和運營。索非亞在2014年實現了完全的運行能力，並在2022年9月29日完成了最後一次科學飛行。
