Mittwoch, 11. April 2007

Astronomie Sonnensystem Meteorologie

Seltsame Struktur am Nordpol des Saturn

Die Entdeckung

Am Nordpol des Ringplaneten Saturn befindet sich eine riesige, exakt sechseckige Struktur, die sich um sich selbst dreht (rotiert). Diese Struktur erscheint auf Infrarotaufnahmen, der amerikanischen Saturn-Sonde Cassini, die den Nordpol des Saturns näher untersuchte. Dort herrscht Polarnacht, denn der Nordpol weist zur Zeit von der Sonne weg und liegt daher im Dunklen.

Der Saturn ist der sechste und mit 95 Erdmassen der zweitgrößte Planet in unserem Sonnensystem. Er ist mit bloßem Auge sichtbar. Von den anderen Planeten unseres Sonnensystems hebt sich der Saturn durch seinen schon in kleinen Fernrohren sichtbaren Ring ab, der zu großen Teilen aus Wassereis besteht. Saturn läuft auf einer annähernd kreisförmigen Umlaufbahn in einer Entfernung von 9 bis 10 AE um die Sonne (1 AE=1 Astronomische Einheit=150 Millionen Kilometer, entspricht dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne). Für einen Umlauf um die Sonne (1 Saturnjahr) benötigt Saturn über 29 Erdenjahre. Ein Tag auf dem Saturn dauert weniger als 11 Stunden. Der Saturn dreht sich also, verglichen mit der Erde, wesentlich schneller um die eigene Achse. Die Drehachse des Saturn steht, ähnlich wie bei der Erde, nicht senkrecht auf der Bahnebene, sondern ist etwas gekippt, so daß es auch dort Jahreszeiten gibt.

Saturn gehört zu den sogenannten Gasriesen. Seine Atmosphäre besteht vorwiegend aus Wasserstoff, es folgt mit deutlichem Abstand Helium und dann in nochmals deutlich geringerer Menge Ammoniak, Methan, Wasser und verschiedenste organische Verbindungen. Obwohl er nur geringfügig kleiner ist als Jupiter, der größte Planet unseres Sonnensystems, mit 318 Erdmassen auch ein Gasriese, wiegt er doch weniger als ein Drittel, was an seiner sehr geringen Dichte liegt, die sogar geringer als die von Wasser ist. Gäbe es einen Ozean voll Wasser, der groß genug ist, Saturn würde darauf wie ein Korken schwimmen. Das Wettergeschehen auf dem Saturn wird -wie auf anderen Gasriesen auch- nicht nur durch die Sonneneinstrahlung, sondern in hohem Maße durch die innere Wärmeentwicklung des Planeten bestimmt. Die starke innere Wärmeentwicklung könnte auf einem schwerkraftbedingten Schrumpfungsprozeß des ganzen Planeten beruhen. Die Wolken des Saturn bilden sich durch Kondensation aus Wasser-, Ammoniak- und Methandämpfen.Sie kondensieren allerdings in unterschiedlichen Höhen aus. Tief unten bilden sich Wasserwolken, weiter oben bei wesentlich niedrigeren Temperaturen Ammoniak- und ganz oben, bei extremer Kälte auch Methanwolken. Mit zunehmender Tiefe der Atmosphäre geht diese, aufgrund des hohen Druckes, vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand über. Es existiert vielleicht ein Ozean aus hochkomprimierten Wasser, Ammoniak und Methan. In noch größerer Tiefe gibt es ein Meer aus flüssigem Wasserstoff. Letztlich geht der Wasserstoff dann bei ganz extrem hohen Drücken in eine metallische Form über. Unterhalb dieser metallischen Schicht liegt ein Gesteinskern der auf ca. 16 Erdmassen geschätzt wird. Das Innere des Gesteinskerns ist glühend heiß und aufgeschmolzen.
Saturn besitzt zahlreiche Monde, deren größter, der Titan sogar über eine eigene Atmosphäre verfügt.



Die lange Reise der Sonde Cassini zum Ringplaneten Saturn (NASA)

Das gigantische Sechseck am Nordpol des Saturn (Durchmesser 25000 km !) war bereits vor über 20 Jahren von den amerikanischen, interplanetaren Sonden Voyager 1 und 2 entdeckt worden, die inzwischen unser Sonnensystem verlassen haben.


Rotierende sechseckige Struktur am Nordpol des Saturn (Infrarotaufnahmen von Cassini, NASA),



Die ersten Aufnahmen des Sechsecks durch die
interplanetaren Voyager-Sonden (NASA)

Die Infrarotaufnahmen von Cassini zeigen, daß die sechsecke Struktur mehrere hundert Kilometer tief in die Saturnatmosphäre hineinreicht. Innerhalb des des Sechsecks liegt ein Wolkensystem, das ebenfalls rotiert.
Die Wissenschaftler der NASA stehen noch vor einem Rätsel, wenn es darum geht, das Phänomen wirklich zu erklären. Am Südpol des Saturn, wo es nach jüngsten Temperaturmessungen besonders warm ist, hatte Cassini bereits vor einiger Zeit einen großen ortsfesten Hurrikan entdeckt, der eine gewisse Ähnlichkeit mit der Struktur am Nordpol zu haben scheint.


Ein Hurrikan am Südpol des Saturn (Cassini, NASA)

Hurrikans (Wirbelstürme) entstehen auf dem Saturn möglicherweise durch große Temperaturgegensätze in der Atmosphäre zwischen unteren Luftschichten, wo es warm ist und oberen Luftschichten, wo es bitterkalt ist. Je wärmer es unten ist, also je mehr Wasser, Ammoniak und Methan verdunstet sind , desto mehr Energie steht dem Hurrikan zur Verfügung. Bei der Wolkenbildung in der Höhe -zunächst kondensiert Wasser, dann weiter oben, da wo es schon wesentlich kälter ist, Ammoniak und in sehr großer Höhe und bei extremer Kälte auch Methan- wird die bei der Verdunstung verbrauchte Energie wieder freigesetzt. Diese Energie verursacht als Wärme einen starken zusätzlichen Auftrieb, und die Luft steigt in die Höhe. Damit entsteht ein sich verstärkendes Tiefdruckgebiet, das immer mehr Luft von allen Seiten -auch die kalte Luft von oben- ansaugt. Das Wolkensystem dreht sich, da wegen der schnellen Eigenrotation des Saturn eine starke Coriolis-Kraft wirksam wird. Der so entstandene Wirbel verstärkt sich über der warmen Atmosphärenschicht immer weiter und dreht sich immer schneller. Im Zentrum bildet sich ein beinahe windstilles Auge. Der Wirbelsturm am Südpol scheint ortsfest zu sein. Andere Wirbelsysteme auf dem Saturn werden dagegen früher oder später mit dem Wind davongetragen.
Ein regelmässiges, geradezu künstlich wirkendes Sechseck gibt es am Südpol, im Gegensatz zum Nordpol des Saturn, aber nicht. Eine derartige Erscheinung wurde noch auf keinem Planeten unseres Sonnensystems, die Erde eingeschlossen, jemals entdeckt.


Ein Erklärungsversuch...

Wird Luft von unten erwärmt, so wird die Wärme zunächst durch Stöße zwischen den Molekülen der Luft übertragen, während sich die Luft als Ganzes gesehen noch in Ruhe befindet. Übersteigt die Temperaturdifferenz zwischen oben und unten einen bestimmten Wert, beginnt die erwärmte Luft aufzusteigen (Konvektion). Aber warum passiert das?

Die Moleküle, der von unten erwärmten Luft bewegen sich schneller als die der kälteren Luft, stoßen deutlich heftiger aneinander und benötigen entsprechend mehr Platz. In einem bestimmten Rauminhalt (Volumen) wärmerer Luft passen dann weniger Moleküle hinein als in einen gleich großen Rauminhalt kälterer Luft Daher die geringere Dichte der wärmeren Luft. Es entsteht eine instabile Schichtung, da die unteren Luftschichten aufgrund ihrer geringeren Dichte aufsteigen und die oberen Schichten wegen ihrer höheren Dichte absinken möchten. Die unteren Luftschichten werden jedoch nicht als Ganzes erwärmt, sondern die Erwärmung verläuft ungleichmäßig, so dass dort wärmere Luftpakete mit geringerer Dichte neben kälteren Luftpaketen mit höherer Dichte nebeneinander vorkommen. Immer wieder werden wärmere Luftpakete unten durch kleinere Störungen nach oben ausgelenkt. Sie erfahren dann, da sie leichter als ihre kältere Umgebung sind, nach dem Archimedischen Prinzip eine Auftriebskraft. Dadurch werden sie entgegen der Schwerkraft nach oben beschleunigt. Andererseits werden kältere Luftpakete weiter oben, durch kleine Störungen in Richtung der Schwerkraft nach unten beschleunigt. Zunächst haben die Störungen jedoch keine sichtbaren Folgen, da stabilisierende Effekte den Bewegungen einzelner Teilchen entgegenwirken: Zum einen müssen die Widerstandskräfte in der Luft überwunden werden, die mit der gegenseitigen schwachen elektrischen Anziehung der Luftmoleküle zusammenhängen . Zum anderen kühlen warme Luftpakete auf ihrem Weg nach oben ab und erreichen die Oberfläche deshalb nur, wenn eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen unten und oben erreicht ist. Dann allerdings ist die Auftriebskraft groß genug, um alle stabilisierenden Kräfte zu überwinden. Kleine Störungen verstärken sich so sehr, dass sich auf- und absteigende Luftströmungen bilden. Dabei setzen sich, nach dem Ausprobieren der verschiedensten Strömungbewegungen die wirkungsvollsten Bewegungsformen, also diejenigen, die den Wärmetransport von unten nach oben am besten gewährleisten, in einem Ausleseprozess durch. Das Ergebnis des Ausleseprozesses hängt von der Temperaturdifferenz zwischen unten und oben ab, also von der Aufstiegsgeschwindigkeit der erwärmten Luft. Es können aber auch mehrere verschiedene Bewegungsformen zusammenwirken, wobei hexagonale Strömngsmuster, die so genannten Bénardzellen entstehen können.



Bénardzellen (plus = aufsteigende Strömumg, minus =absteigende Strömumg)

Bei der gigantischen Struktur am Nordpol am Saturn könnte es sich meines Erachtens tatsächlich um eine solche Bénardzelle handeln, wenn auch das Strömungsmuster mit einem Wirbel innerhalb des Sechsecks, anders aussieht als normalerweise, wo die Strömung von der Aufstiegszone innerhalb des Sechsecks zur Abstiegszone aussen verläuft.
Doch das liesse sich erklären: Auf dem Saturn, der sich sehr schnell um die eigene Achse dreht, werden die zunächst gerade verlaufenden Strömungen durch die Corioliskraft sehr stark abgelenkt, so dass ein Wirbel innerhalb des Sechsecks entsteht. Es bleibt die Frage, warum es dann nur eine Bénardzelle am Nordpol des Saturn gibt, obwohl Bénardzellen typischerweise immer mehrfach auftreten? Werden die benachbarten Bénardzellen außerhalb der Polarregion vielleicht irgenwie unterdrückt?



Jens Christian Heuer



Quellen:
Cassini Mission

Viel Wirbel um Wirbel

 
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