Die oberen Schichten der Atmosphären von Gasplaneten wie Saturn, Jupiter, Uranus und Neptun sind warm wie die Erdatmosphäre. Aber im Gegensatz zur Erde ist die Sonne zu weit von diesen äußeren Planeten entfernt, um für die hohen Temperaturen verantwortlich zu sein. Ihre Wärmequelle war eines der großen Rätsel der Planetenforschung.
Eine neue Analyse von Daten der NASA-Raumsonde Cassini findet eine schlüssige Erklärung dafür, was die oberen Schichten von Saturn und möglicherweise auch jene der anderen Gasplaneten so warm hält: Polarlichter an den Nord- und Südpolen der Planeten. Elektrische Ströme, ausgelöst durch Wechselwirkungen zwischen dem Sonnenwind und geladenen Teilchen von den Saturnmonden, erzeugen die Polarlichter und die Wärme in der oberen Atmosphäre. Wie bei den Nordlichtern auf der Erde verrät die Untersuchung von Polarlichtern den Wissenschaftlern, was in einer planetaren Atmosphäre geschieht.
Die Arbeit wurde am 6. April 2020 im Journal Nature Astronomy veröffentlicht und ist die bislang vollständigste Kartierung der Temperatur und Dichte der oberen Atmosphäre eines Gasriesen – eine Region, die im Allgemeinen nicht gut verstanden ist.
Mit der Zeichnung eines vollständigen Bildes der Wärmezirkulation in der Atmosphäre können Wissenschaftler besser verstehen, wie die elektrischen Ströme von Polarlichtern die oberen Schichten der Saturnatmosphäre erwärmen und Winde antreiben. Das globale Windsystem kann diese Energie, die anfangs nahe der Pole vorhanden ist, in Richtung der Äquatorregionen leiten und sie auf den doppelten Wert aufheizen, den man von der Sonnenstrahlung allein erwarten würde.
„Die Ergebnisse sind entscheidend für unser allgemeines Wissen über obere planetare Atmosphären und ein wichtiger Teil von Cassinis Vermächtnis“, sagte der Autor Tommi Koskinen vom Cassinis Ultraviolet Imaging Spectograph (UVIS) Team. „Sie helfen die Frage anzugehen, warum der oberste Teil der Atmosphäre so warm ist, während der Rest der Atmosphäre aufgrund der großen Entfernung zur Sonne kalt ist.“
Cassini war ein vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA betriebener Orbiter, der Saturn mehr als 13 Jahre lang beobachtete, bevor ihm der Treibstoff ausging. Die Mission steuerte ihn im September 2017 in die Atmosphäre des Planeten, teilweise um seinen Mond Enceladus zu schützen. Enceladus könnte Cassini zufolge Bedingungen aufweisen, die günstig für Leben sind. Aber vor ihrer Zerstörung führte Cassini 22 ultranahe Umkreisungen Saturns durch, eine letzte Tour, genannt Grand Finale.
Die Schlüsseldaten für die neue Temperaturkarte der Saturnatmosphäre wurden während des Grand Finale gesammelt. Sechs Wochen lang visierte Cassini mehrere helle Sterne in den Sternbildern Orion und Canis Major an, während sie hinter Saturn verschwanden. Weil die Raumsonde den Auf- und Untergang der Sterne hinter dem Riesenplaneten beobachtete, analysierten die Wissenschaftler, wie sich das Sternlicht beim Passieren der Atmosphäre veränderte.
Die Dichtemessung der Atmosphäre gab den Wissenschaftlern die Informationen, die sie zur Messung der Temperaturen brauchten. Die Dichte nimmt mit zunehmender Höhe ab, und die Rate der Abnahme hängt von der Temperatur ab. Sie stellten fest, dass die Temperaturen in der Nähe der Polarlichter am höchsten sind, was dafür spricht, dass die elektrischen Ströme der Polarlichter die obere Atmosphäre erwärmen.
Die Messungen von Dichte und Temperatur gemeinsam halfen den Wissenschaftlern dabei, die Windgeschwindigkeiten zu bestimmen. Saturns obere Atmosphäre zu verstehen, dort wo der Planet auf den Weltraum trifft, ist ein Schlüssel, um das Weltraumwetter und seinen Einfluss auf andere Planeten in unserem Sonnensystem zu verstehen, ebenso Exoplaneten um andere Sterne.
Die Cassini-Huygens-Mission ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, ESA und der Italian Space Agency. Das JPL, eine Abteilung des Caltech in Pasadena, leitet die Mission für das Science Mission Directorate der NASA in Washington. Das JPL entwarf, entwickelte und konstruierte den Cassini-Orbiter.
(THK)
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