Was die Atmosphäre des Saturn so heiß macht

Die oberen Atmosphäre-Schichten der Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun sind genau wie die der Erde heiß. Aber anders als bei der Erde ist bei den äußeren Planeten die Sonne zu weit entfernt, um die hohen Temperaturen zu erklären. Ihre Wärmequellen waren eines der großen Geheimnisse der Planetenforschung.

Neue Analysen von Daten, die von der Raumsonde Cassini stammen, liefern eine brauchbare Erklärung dafür, was die oberen Schichten des Saturn und möglicherweise auch der anderen Planeten so heiß macht: Polarlichter am Nord- und Südpol des Planeten. Elektrische Ströme, ausgelöst durch Wechselwirkungen zwischen Sonnenwinden und geladenen Teilchen von den Saturnmonden entzünden die Polarlichter und erwärmen die obere Atmosphäre.

Die vor kurzem in Nature Astronomy veröffentlichte Arbeit ist die bisher vollständigste Kartierung sowohl der Temperatur als auch der Dichte der oberen Atmosphäre eines Gasriesen – einer Region, die bisher nur unzureichend verstanden wurde.

„Um die Dynamik zu verstehen, bedarf es wirklich einer globalen Sichtweise. Dieser Datensatz ist der erste, mit dem wir die obere Atmosphäre von Pol zu Pol betrachten und gleichzeitig sehen können, wie sich die Temperatur mit zunehmender Tiefe ändert“, sagte Zarah Brown, Hauptautorin der Studie und eine Doktorandin am Lunar und Planetary Laboratory der Universität von Arizona.

Die beobachteten Temperaturen sind in den Polarregionen vergleichsweise kühler und erreichen ihr Maximum in größerer Höhe und weiter südlich als vermutet. Durch die Erstellung eines vollständigen Bildes von der Wärmezirkulation in der Atmosphäre, können Wissenschaftler besser verstehen, wie die polaren elektrischen Ströme die oberen Schichten der Saturn-Atmosphäre erwärmen und Winde antreiben. Das globale Windsystem kann diese in den Polarregionen eingebrachte Energie Richtung Äquator transportieren. Damit steigen die Temperaturen dieser Regionen auf das Doppelte des Wertes der durch die Erwärmung durch die Sonne erwartet wird. Gemeinsam mit den relativ kühleren Verhältnisse in den Polarregionen führt das zu einer Veränderung der Westwindsysteme und aus deren Konsequenz einer Windströmung in Richtung Äquator zwischen 70 und 30 Grad Breite.

„Die Ergebnisse sind für unser allgemeines Verständnis der oberen Planetenatmosphären von entscheidender Bedeutung und ein wichtiger Bestandteil des Cassini-Erbes“, sagte Tommi Koskinen, Co-Autor der Studie und Mitglied des Ultraviolet Imaging Spectograph-Teams von Cassini. „Sie helfen bei der Beantwortung der Frage, warum der oberste Teil der Atmosphäre so heiß ist, während der Rest der Atmosphäre aufgrund der großen Entfernung von der Sonne kalt ist.“

Cassini wurde vom JPL der NASA in Südkalifornien geleitet und war ein Orbiter, der Saturn mehr als 13 Jahre lang beobachtete, bis seine Kraftstoffversorgung aufgebraucht war. Die Sonde Cassini wurde im September 2017 kontrolliert in der Atmosphäre des Planeten zum Absturz gebracht, unter anderem um seinen Mond Enceladus zu schützen, der möglicherweise aufgrund von Cassinis Entdeckungen lebensfreundliche Bedingungen bieten könnte. Doch bevor Cassini in die Saturn-Atmosphäre eintauchte, führte die Sonde 22 extrem enge Umlaufbahnen um Saturn durch, eine letzte Tour die als Grand Finale bezeichnet wird.

Während dieses großen Finales wurden die Schlüsseldaten für die neue Temperaturkarte der Saturn-Atmosphäre gesammelt. Sechs Wochen lang zielte Cassini auf mehrere helle Sterne in den Sternbildern Orion und Canis Major, als sie hinter Saturn vorbeizogen. Während die Raumsonde beobachtete, wie die Sterne hinter dem Riesenplaneten auf und untergingen, analysierten die Wissenschaftler, wie sich das Sternenlicht beim Durchgang durch die Atmosphäre veränderte.

Durch die Messung der Dichte der Atmosphäre erhielten die Wissenschaftler die Informationen, die sie zum Ermitteln der Temperaturen benötigten. Die Dichte nimmt mit der Höhe ab und die Abnahmerate hängt von der Temperatur ab. Sie fanden heraus, dass die Temperaturen in der Nähe der Polarlichter ihren Höhepunkt erreichen, was darauf hinweist, dass elektrische Polarlicht-Ströme die obere Atmosphäre erwärmen.

Dichte und Temperaturmessungen halfen Wissenschaftlern, Windgeschwindigkeiten zu bestimmen. Das Verständnis der oberen Atmosphäre des Saturn, wo die Planetenatmosphäre auf den Weltraum trifft, ist der Schlüssel zum Verständnis des Weltraumwetters und dessen Auswirkungen auf andere Planeten in unserem Sonnensystem und auf Exoplaneten um andere Sterne.

„Obwohl schon tausende von Exoplaneten gefunden wurden, können nur die Planeten in unserem Sonnensystem so detailliert untersucht werden. Dank Cassini haben wir derzeit ein detaillierteres Bild der oberen Atmosphäre des Saturn als von jedem anderen Riesenplaneten im Universum“, sagte Brown.

9. April 2020/SP
Verein Kuffner-Sternwarte