Weltenwetter

Die Treibhausatmosphäre des Pluto

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Pluto galt bis vor kurzem als Neunter Planet unseres Sonnensystems, wurde dann aber von der Internationalen Astronomischen Union (IAU) zu einem Zwegplaneten herabgestuft. Er umrundet die Sonne in knapp 248 Jahren auf einer, verglichen mit den 8 grossen Planeten unseres Sonnensystems, deutlich elliptischeren Bahn. Die Entfernung zur Sonne schwankt dabei zwischen knapp 30 und etwas über 40 AE (AE=Astronomischen Einheit, entspricht dem mittleren Abstand Erde-Sonne, also rund 150 Millionen km). entsprechend ). Pluto hat einen Durchmesser von etwa 1/5 der Erde, dreht sich in 6 Tagen einmal um die eigene Achse und verfügt über eine ausserordentlich dünne Atmosphäre, hauptsächöich Stickstoff, daneben geringe Mengen Methan, Kohlenmonoxid und weitere Spurengase. Der Planet selbst besteht vorwiegend aus Gestein und Wassereis. An der Oberfläche gibt es noch eine Schicht ausgefrorenener Gasen der Atmosphäre.

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So etwa könnte es auf der Oberfläche von Pluto aussehen. Über dem Horizont ist Charon, der grösste der 3 Monde von Pluto. Er ist mit einem Durchmesser von 1200 km immerhin fast halb so gross wie der Planet. Die beiden anderen Monde Nix und Hydra sind dagegen deutlich kleiner (Durchmesser 40 bzw. 160 km). Wegen der grossen Entfernung erscheint die Sonne nur noch als besonders heller Stern. Quelle: http://www.eso.org/public/

Ein Wissenschaftlerteam um Emmanuel Lellouch an der Europäischen Südsternwarte (European Southern Observatory, ESO) in Chile fand kürzlich mit einem Spektrografen (Cryogenic InfraRed Echelle Spectrograph (CRIRES)), der an eines der vier Grossteleskope (Very Large Telescope,VLT) angeschlossenen war einen unerwartet hohen Methananteil von 0,5% in der Plutoatmosphäre. Ausserdem zeigten Temperaturmessungen anhand der Spektren, dass die Atmosphäre des Pluto bis in die unteren Schichten um immerhin 40-50°C wärmer ist als die  mit -220°C äusserst kalte Planetenoberfläche (Temperaturzunahme 3-15°C pro Höhenkilometer). Für diese Temperaturinversion (also die Umkehr des normalen Temperaturrückgangs mit zunehmender Höhe, auf der Erde z.B. durchschnittlich 6°C pro Höhenkilometer) ist vor allem das  Methan verantwortlich, das einen starken Treibhauseffekt in der Atmosphäre erzeugt.

Die Planetenoberfläche absorbiert zunächst erst einmal die recht spärlich eintreffende Sonnenstrahlung und wandelt sie in Wärme um. Dadurch wird  die Atmosphäre von unten direkt erwärmt, aber die Planetenoberfläche gibt auch einen erheblichen Teil der empfangenen Wärme als Infrarotstrahlung ab (Bodenstrahlung). Aus dieser Infrarotstrahlung absorbiert das Treibhausgas Methan bestimmte Wellenlängen, welche bestimmten, Schwingungsmöglichkeiten des infrarotaktiven Methanmoleküls entsprechen. Das Molekül funktioniert damit so ähnlich wie eine Radioantenne, die mit ihrem Schwingkreis aus einem Wellensalat die richtigen,  jeweils eingestellten Radiosender herausfiltert. Die  empfangene Energie wird durch durch Stösse an noch nicht angeregte Nachbarmoleküle weitergegeben, so dass die  Atmosphäre insgesamt wärmer wird. Die angeregten Methanmoleküle entwickeln eine infrarote Eigenstrahlung mit den den entsprechenden Wellenlängen. Ein Teil davon erwärmt als infrarote Gegenstrahlung die Planetenoberfläche, die somit etwas von ihrer verlorenen Wärme zurückerhält.

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Das 5-atomige tetraederförmige Methan hat zahlreiche Eigenschwingungsmöglichkeiten und absorbiert daher auch bei vielen Wellenlängen im Infraroten. Das mit CRIRES aufgenommene Spektrum von Pluto (schwarze Kurve) stimmt mit den Modellannahmen (rote Kurve) gut überein. Quellen: http://osulibrary.oregonstate.edu/ und http://www.planetary.org/blog/ (verändert)

Doch warum ist dann die Planetenoberfläche trotzdem so kalt? Auch das hängt mit dem Methan zusammen, das an der Planetenoberfläche zunächst in gefrorener Form vorliegt. Durch die Sonne und die infrarote Gegenstrahlung wird es dann aber soweit erwärmt, dass es sublimiert, also direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht. Dabei wird der Planetenoberfläche viel Energie entzogen (Sublimationskälte).

Den Wissenschaftlern um Lellouch bestimmten ausserdem Plutos Durchmesser und die Mächtigkeit seiner Atmosphäre. Wegen seiner grossen Entfernung zur Erde ist das Abbild Plutos in Teleskopen viel zu klein, um damit genau seine Grösse direkt  zu vermessen. Es ist jedoch auf indirektem Wege möglich, indem man sich Sternbedeckungen zunutze macht, wo der Planet,  von der Erde aus gesehen, vor einem Hintergrundstern vorbeizieht und ihn vorübergehend verdeckt. Wurde zuvor die Bahngeschwindigkeit des Planeten bestimmt,  kann anhand der gemessenen Sternbedeckungszeit auch leicht der Planetendurchmesser berechnet werden. Verfügt  der  Planet jedoch über eine Atmosphäre, so wird die Angelegenheit ein wenig komplizierter, denn das Sternenlicht wird schon abgeschwächt bevor der Planet selbst sich vor den Stern schiebt. Ja mehr noch, die Atmosphäre lenkt das Sternenlicht durch Lichtbrechung  ab, wodurch die Zeitmessung der Sternbedeckung noch zusätzlich verfälscht wird. All das erschwert natürlich die Bestimmung des Planetendurchmessers, erlaubt aber andererseits auch eine Abschätzung der Mächtigkeit der Atmosphäre, wenn es gelingt bei der Messung der Sternbedeckung die Effekte des Planeten selbst von den Effekten  seiner Atmosphäre zu trennen. Genau das scheint den Wissenschaftlern an der Europäischen Südsternwarte gelungen zu sein. Nach ihren neuesten Messungen soll der Durchmesser Plutos zwischen
2338 to 2,344 km liegen und seine Atmosphäre eine Mächtigkeit zwischen 17 und 24 km haben. Eine bisher noch nicht gekannte Genauigkeit!

Im Jahre 2015 wird die amerikanische Raumsonde New Horizon den Pluto erreichen, um erstmals den Zwergplaneten aus der Nähe zu fotografieren und direkte Messungen vor Ort durchzuführen.

Jens Christian Heuer

Quellen:  http://www.planetary.org/blog/article/00001860/
und http://fr.arxiv.org/abs/0901.4882 (Originalarbeit von E. Lellouch, B. Sicardy, C. de Bergh, H.-U. Käufl, S. Kassi und A. Campargue)

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Written by jenschristianheuer

März 26, 2009 um 12:53 am

Veröffentlicht in Klimaforschung, Wetterwelten

Eine Antwort

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  1. wie klein ist der planet pluto?????????????????

    miley

    September 21, 2009 at 2:46 pm


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