Wir können der NASA-Raumsonde New Horizons dafür danken, dass sie uns die Augen für die Komplexität von Pluto geöffnet hat. Am 14. Juli 2015 kam die Raumsonde bis auf 12.500 km (7.800 Meilen) an den Zwergplaneten heran. Während des Vorbeiflugs konnte New Horizons Plutos Atmosphäre und seine Oberfläche charakterisieren.
Zu den Dingen, die New Horizons sah, gehörte eine Region mit schneebedeckten Bergen.
Hier auf der Erde wird es umso kälter, je höher man kommt, was unsere schneebedeckten Berge erklärt. Aber auf Pluto gibt es eine Temperaturinversion, was bedeutet, dass es das Gegenteil der Erde ist: Je höher man kommt, desto wärmer wird es. Das liegt an der Sonneneinstrahlung. Die durchschnittliche atmosphärische Temperatur in der Höhe ist zehn Grad höher als ihre Oberfläche.
Warum also gibt es Frost?
Dieses Gebiet liegt südlich von Plutos dunklem äquatorialem Band, das informell Cthulhu Regio genannt wird, und südwestlich der riesigen Stickstoffeisebenen, die informell Sputnik Planitia genannt werden. Norden ist oben; im westlichen Teil des Bildes erstreckt sich eine Kette heller Berge nach Norden in die Cthulhu Regio. Zusammensetzungsdaten von New Horizons zeigen, dass das helle Schneekappenmaterial, das diese Berge bedeckt, kein Wasser ist, sondern atmosphärisches Methan, das als Frost auf diesen Oberflächen in großer Höhe kondensiert ist. Bildnachweis: NASA/Labor für angewandte Physik der Johns Hopkins University/Southwest Research Institute.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Mitgliedern des CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique oder Französisches Nationales Zentrum für wissenschaftliche Forschung) ging dieser Frage in einer neuen Studie nach. Der Titel lautet ' Äquatoriale Berge auf Pluto sind von Methanfrost bedeckt, der aus einem einzigartigen atmosphärischen Prozess resultiert. Der Hauptautor ist Tanguy Bertand, der derzeit NASA Postdoctoral Fellow am NASA Ames Research Center ist. Die Studie ist in Nature Communications veröffentlicht.
New Horizons hat Schnee auf Pigafetta Montes und Elcano Montes in Pluto gefunden Cthulhu Makula Region am Äquator des Planeten. Plutos Schnee ist nicht wie der Schnee der Erde; es ist gefrorenes Methan, kein gefrorenes Wasser. Aber Pluto ist eine eisige Welt mit einer schwachen Atmosphäre, und in seiner sehr dünnen Atmosphäre gibt es eine geringe Menge Methan. Wie ist es als Schnee auf den Gipfeln der Berge entstanden?
Die Oberfläche von Pluto weist eine bemerkenswerte Vielfalt an Landschaftsformen auf, die ihre eigenen, unterschiedlichen Farben haben und eine komplexe geologische und klimatologische Geschichte erzählen. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von NASA / JHUAPL / SwRI Inhaltsverzeichnis Seite 2015 Jahresbericht Abteilung: (15)
Auf der Erde sinkt die Temperatur mit der Höhe aufgrund von adiabate Kühlung . Wenn sich Luft entlang eines Berghangs nach oben bewegt, dehnt sie sich aus, was zu einer Abkühlung führt. Das Gegenteil ist der Fall, wenn die Luft absinkt: Die Luft wird wärmer. Wenn feuchte Luft aufsteigt und sich ausreichend abkühlt, kondensiert sie und fällt als Schnee. Es ist ein gut verstandenes Phänomen hier auf der Erde, aber es kann Plutos Schnee nicht erklären.
Auf der Erde nimmt die Temperatur mit der Höhe um etwa 1 Grad Celsius alle 100 Meter ab. Auf Pluto ist es in höheren Lagen wärmer. Doch auf Pluto gibt es in großen Höhen immer noch Methanfrost oder Schnee. Bildquelle: Tanguy Bertand et al. 2020.
Mit einem Klimamodell fand das Team heraus, wie der Methanschnee auf die Berge fiel. Plutos dünne Atmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff, mit Spuren von Methan und Kohlenmonoxid. Mit nur Spuren von Methan ist es schwer, den ganzen Schnee zu erklären.
Durch die Arbeit mit dem Klimamodell stellten die Forscher fest, dass die Dynamik der Atmosphäre von Pluto das Methan in höheren Lagen konzentriert. Nur auf den Gipfeln der Berge gibt es genug Methan, um Schnee zu bilden. In niedrigeren Höhen gibt es einfach nicht genug Methan.
Da Pluto keine dicke, isolierende Atmosphäre wie die Erde hat, ist der Zwergplanet in höheren Lagen aufgrund der Sonneneinstrahlung wärmer, da die Wärme vom Methan in der Atmosphäre absorbiert wird. Dies gilt für die ersten Höhenmeter. Dieser Prozess der Wärmeaufnahme durch Methan findet in Gebieten mit Stickstoffeis auf der Oberfläche nicht statt, da es die ersten Höhenkilometer in der Atmosphäre sublimieren und abkühlen kann.
A) New Horizons-Karte der südöstlichen Cthulhu-Region auf Pluto, die sich in den äquatorialen Regionen westlich von Sputnik Planitia befindet. Das gelbe Kästchen zeigt die Grenzen des in (b) im Detail gezeigten Bereichs an. B) Detail der frostbedeckten CH4-Rücken von Pigafetta und Elcano Montes innerhalb von Cthulhu Macula (148,2°E, 10,1°S), gesehen in einem verbesserten Ralph/MVIC-Farbbild (680?m/Pixel, zylindrische Projektion). C) Satellitenansicht von wassereisbedeckten Gebirgsketten in den Alpen.
Die Atmosphäre von Pluto ist zu dünn, um die Oberfläche des Planeten zu erwärmen. Wenn es also keinen gefrorenen Stickstoff auf der Oberfläche gibt, gibt es ein „lokales Strahlungsgleichgewicht“. Dieses Gleichgewicht ist unabhängig von der Höhe und es ist kälter als die Atmosphäre darüber.
Dadurch kühlt sich die oberflächennahe Luft ab, verdichtet sich und möchte ständig talwärts strömen. Klimasimulationen anderer Forscher zeigen, dass dieser Mechanismus überall auf Pluto und zu jeder Tageszeit präsent ist. Das Ergebnis ist, dass Pluto von Fallwinden dominiert wird. Deshalb ist seine Schneebildung so rätselhaft. Es ist ganz anders als die Erde, wo die Luft beim Aufsteigen abkühlt und ihre Feuchtigkeit als Schnee auf den Bergen ablagert.
„Es ist bemerkenswert, dass zwei Phänomene und zwei Materialien, die so unterschiedlich sind, bei ähnlicher Auflösung dieselbe Landschaft erzeugen können.“
Aus „Äquatoriale Berge auf Pluto sind von Methanfrost bedeckt, der aus einem einzigartigen atmosphärischen Prozess resultiert“
Das Forscherteam fand heraus, dass die Atmosphäre von Pluto so zirkuliert, dass sich Methan in höheren Lagen konzentriert. Diese Zirkulation ist saisonal und wird durch die Sublimation an der Oberfläche angetrieben. Die Autoren bezeichnen dies als „sublimationsinduzierte Zirkulationszellen“. Wenn sich das Methan konzentriert, erreicht es einen Sättigungspunkt und fällt als Schnee auf die Oberfläche der Berge.
Dies ist ein Bild aus der Simulation, die das Team in seiner Studie durchgeführt hat. Es zeigt das tageszeitliche mittlere Mischungsverhältnis von Methan. Die schwarzen Linien stellen Oberflächenwinde dar, die das Methan konzentrieren. Wie der Balken rechts zeigt, steht Rot für höhere Methankonzentrationen in höheren Lagen, die sich als Frost auf den Bergen bilden. Bildquelle: Bertand et al., 2020.
Es gibt auch eine Feedback-Schleife. Da sich Methanschnee auf den Bergen bildet, erhöht er die Albedo, was zu mehr Abkühlung führt. Mit mehr Abkühlung kommt mehr Methanschnee.
Diese Bilder aus der Studie zeigen Methanschneeansammlungen in dem im vorherigen Bild gelb markierten Gebiet. Braun steht für flüchtige Oberflächen und grau ist der gefrorene Stickstoff-Eisschild in Sputnik Planitia. Von blau nach weiß zeigt sich zunehmende Ansammlung von Methaneis. Das Bild rechts ist dieselbe Simulation, jedoch mit zunehmendem Albedo-Effekt. Die Bilder stammen aus einer Klimasimulation, die die Forscher durchgeführt haben. Höhenlinien sind 300m. Bildquelle: Bertand et al., 2020.
„Insgesamt ist die Bildung von CH4Frost auf den Bergen von Pluto scheint nach unserem Modell von einem völlig anderen Prozess angetrieben zu werden als der, der nach unserem Modell schneebedeckte Berge auf der Erde bildet“, schreibt das Team zum Abschluss ihres Papiers. „Es ist bemerkenswert, dass zwei Phänomene und zwei Materialien, die so unterschiedlich sind, bei ähnlicher Auflösung dieselbe Landschaft erzeugen können.“
Dies ist nur ein weiteres Beispiel für die Komplexität von Pluto. Vor dem Vorbeiflug von New Horizons am Zwergplaneten hatten wir keine Ahnung, dass Oberfläche, Atmosphäre und Klima so komplex sind. Wissenschaftler arbeiten immer noch mit allen Daten der Mission, also wer weiß, was noch darauf wartet, entdeckt zu werden.
Nachdem sich New Horizons Pluto am nächsten genähert hatte, blickte es zurück auf den Planeten und hielt diesen Blick auf seine zerklüfteten, eisigen Berge und flachen Eisebenen bei Sonnenuntergang fest. Die sanfte Weite von Sputnik Planitia (rechts) wird im Westen (links) von schroffen Bergen mit einer Höhe von bis zu 3.500 m flankiert. Einige wollen eine weitere Mission nach Pluto schicken, diesmal einen Orbiter. Bildquelle: NASA/JHUAPL/SwRI
Es ist auch von einer anderen Mission die Rede. New Horizons hat nur einen Vorbeiflug am Eiszwerg durchgeführt, daher sind seine besten Daten auf eine Seite der fernen Welt beschränkt. Der Planetenwissenschaftler Alan Stern war der leitende Ermittler der New Horizons-Mission und er denkt, Orbiter-Mission zu Pluto ist der nächste Schritt. Ein Lander könnte auch Teil dieser Mission sein.
Mehr:
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