Seit seiner Entdeckung Mitte des 19. Jahrhunderts ist Neptun durchweg ein mysteriöser Planet. Als der am weitesten von unserer Sonne entfernte Planet wurde er nur von einer einzigen Robotermission besucht. Und es sind noch viele Fragen offen, welche Mechanik sein Inneres antreibt. Dennoch ist das, was wir in den letzten Jahrzehnten über den Planeten gelernt haben, beachtlich.
Zum Beispiel dank der Reisen 2 Sonde und mehreren Vermessungen mit erdbasierten Instrumenten ist es Wissenschaftlern gelungen, ein ziemlich gutes Verständnis der Struktur und Zusammensetzung von Neptun zu erlangen. Planetenmodelle wissen nicht nur, was seine Atmosphäre ausmacht, sondern haben auch vorhergesagt, wie das Innere des Planeten aussieht. Woraus besteht Neptun?
Struktur und Zusammensetzung:
Neptun kann, wie alle anderen Gasriesenplaneten im Sonnensystem, in verschiedene Schichten zerlegt werden. Die Zusammensetzung von Neptun ändert sich je nachdem, welche dieser Schichten Sie betrachten. Die äußerste Schicht von Neptun ist die Atmosphäre, die etwa 5-10% der Masse des Planeten ausmacht und sich bis zu 20% des Weges bis zu seinem Kern erstreckt.
Zusammensetzung und innere Struktur von Neptun. Bildnachweis: NASA
Unter der Atmosphäre befindet sich der große Erdmantel. Dies ist ein überhitzter Flüssigkeitsbereich, in dem Temperaturen von 2.000 bis 5.000 K (1727 – 4727 °C; 3140 – 8540 °F) erreicht werden können. Der Erdmantel entspricht 10 – 15 Erdmassen und ist reich an Wasser, Ammoniak und Methan. Diese Mischung wird als eisig bezeichnet, obwohl es sich um eine heiße, dichte Flüssigkeit handelt, und wird manchmal als „Wasser-Ammoniak-Ozean“ bezeichnet.
Zunehmende Konzentrationen von Methan, Ammoniak und Wasser finden sich in den unteren Regionen der Atmosphäre. Im Gegensatz zu Uranus hat die Zusammensetzung von Neptun ein größeres Ozeanvolumen, während Uranus einen kleineren Mantel hat. Wie die anderen Gas-/Eisriesen soll auch Neptun einen festen Kern haben, dessen Zusammensetzung noch immer Vermutungen unterliegt. Die Theorie, dass es felsig und metallreich ist, stimmt jedoch mit aktuellen Theorien zur Planetenentstehung überein.
Nach diesen Theorien besteht der Kern von Neptun aus Eisen, Nickel und Silikaten, wobei ihm ein Innenmodell eine etwa 1,2-fache Masse der Erde ergibt. Der Druck im Zentrum wird auf 7 Mbar (700 GPa) geschätzt, etwa doppelt so hoch wie im Erdmittelpunkt, und bei Temperaturen von bis zu 5.400 K. In einer Tiefe von 7000 km können die Bedingungen so sein, dass Methan zerfällt zu Diamantkristallen, die wie Hagelkörner nach unten regnen.
Aufgrund seiner geringeren Größe und höheren Konzentrationen an flüchtigen Stoffen im Vergleich zu Jupiter und Saturn wird Neptun (ähnlich wie Uranus) oft als „Eisriese“ bezeichnet – eine Unterklasse eines Riesenplaneten. Ebenso wie Uranus wird die innere Struktur von Neptun zwischen einem felsigen Kern aus Silikaten und Metallen unterschieden; ein Mantel bestehend aus Wasser, Ammoniak und Methaneis; und eine Atmosphäre bestehend aus Wasserstoff, Helium und Methangas.
Uranus und Neptun, die Eisriesenplaneten des Sonnensystems. Quelle: Wikipedia Commons
Neptuns Atmosphäre:
Die Atmosphäre von Neptun macht etwa 5 bis 10 % seiner Masse aus und erstreckt sich vielleicht 10 bis 20 % des Weges zum Kern, wo sie einen Druck von etwa 10 GPa erreicht – oder etwa das 100.000-fache der Erdatmosphäre. In großen Höhen besteht die Atmosphäre von Neptun zu 80 % aus Wasserstoff und zu 19 % aus Helium mit Spuren von Methan.
Wie bei Uranus ist diese Absorption von rotem Licht durch das atmosphärische Methan Teil dessen, was Neptun seinen blauen Farbton verleiht, obwohl Neptuns dunkler und lebendiger ist. Da der atmosphärische Methangehalt von Neptun dem von Uranus ähnlich ist, wird angenommen, dass ein unbekannter atmosphärischer Bestandteil zu Neptuns intensiverer Färbung beiträgt.
Die Atmosphäre von Neptun ist in zwei Hauptregionen unterteilt: die untere Troposphäre (wo die Temperatur mit der Höhe abnimmt) und die Stratosphäre (wo die Temperatur mit der Höhe zunimmt). Die Grenze zwischen beiden, die Tropopause, liegt bei einem Druck von 0,1 bar (10 kPa). Die Stratosphäre weicht dann der Thermosphäre bei einem Druck von weniger als 105bis 10-4Mikrobarren (1 bis 10 Pa), die allmählich in die Exosphäre übergehen.
Die Spektren von Neptun deuten darauf hin, dass seine untere Stratosphäre aufgrund der Kondensation von Produkten, die durch die Wechselwirkung von ultravioletter Strahlung und Methan (d. h. Photolyse) verursacht werden, trüb ist, wodurch Verbindungen wie Ethan und Ethin entstehen. Die Stratosphäre beherbergt auch Spuren von Kohlenmonoxid und Blausäure, die dafür verantwortlich sind, dass die Stratosphäre von Neptun wärmer ist als die von Uranus.
Farb- und kontrastmodifiziertes Bild, das die atmosphärischen Eigenschaften von Neptun unterstreicht. Neptuns Großer Dunkler Fleck ist das auffälligste Merkmal auf der linken Seite. Bildnachweis: Erich Karkoschka
Aus unbekannten Gründen erfährt die Thermosphäre des Planeten ungewöhnlich hohe Temperaturen von etwa 750 K (476,85 °C/890 °F). Der Planet ist zu weit von der Sonne entfernt, als dass diese Wärme durch ultraviolette Strahlung erzeugt werden könnte, was bedeutet, dass ein anderer Erwärmungsmechanismus beteiligt ist – dies könnte die Wechselwirkung der Atmosphäre mit Ionen im Magnetfeld des Planeten oder Gravitationswellen aus dem Inneren des Planeten sein, die sich im Inneren des Planeten auflösen Atmosphäre.
Da Neptun kein fester Körper ist, unterliegt seine Atmosphäre einer unterschiedlichen Rotation. Die weite äquatoriale Zone rotiert mit einer Periode von etwa 18 Stunden, was langsamer ist als die 16,1-Stunden-Rotation des Magnetfelds des Planeten. Im Gegensatz dazu gilt das Gegenteil für die Polarregionen, in denen die Rotationsperiode 12 Stunden beträgt.
Diese unterschiedliche Rotation ist die stärkste aller Planeten im Sonnensystem und führt zu starker Windscherung in Breitengraden und heftigen Stürmen. Die drei beeindruckendsten wurden alle 1989 von der Raumsonde Voyager 2 entdeckt und dann nach ihrem Aussehen benannt.
Der erste, der entdeckt wurde, war ein massiver antizyklonaler Sturm mit einer Größe von 13.000 x 6.600 km und ähnelte dem Großer roter Fleck des Jupiters. Bekannt als Großer dunkler Fleck , wurde dieser Sturm fünf später (2. November 1994) nicht gesichtet, als das Hubble-Weltraumteleskop danach suchte. Stattdessen wurde auf der Nordhalbkugel des Planeten ein neuer Sturm mit sehr ähnlichem Aussehen gefunden, was darauf hindeutet, dass diese Stürme eine kürzere Lebensdauer haben als die des Jupiter.
Rekonstruktion von Voyager 2-Bildern, die den Großen Schwarzen Fleck (oben links), den Roller (Mitte) und den Kleinen Schwarzen Fleck (unten rechts) zeigen. Bildnachweis: NASA/JPL
Die Roller ist ein weiterer Sturm, eine weiße Wolkengruppe, die sich weiter südlich befindet als der Große Dunkle Fleck. Dieser Spitzname entstand erstmals in den Monaten vor derReisen 2Begegnung im Jahr 1989, als beobachtet wurde, wie sich die Wolkengruppe schneller bewegte als der Große Dunkle Fleck.
Die Kleiner dunkler Fleck , ein südlicher zyklonaler Sturm, war der zweitstärkste Sturm, der während der Begegnung 1989 beobachtet wurde. Es war anfangs völlig dunkel; aberReisen 2sich dem Planeten näherte, entwickelte sich ein heller Kern, der auf den meisten Bildern mit der höchsten Auflösung zu sehen war.
Erkundung:
DieReisen 2Sonde ist die einzige Raumsonde, die jemals Neptun besucht hat. Die nächste Annäherung der Raumsonde an den Planeten erfolgte am 25. August 1989 in einer Entfernung von 4.800 km (3.000 Meilen) über dem Nordpol von Neptun. Da dies der letzte große Planet war, den die Raumsonde besuchen konnte, wurde beschlossen, einen nahen Vorbeiflug am Mond Triton zu machen – ähnlich wie bei dem, was man zuvor gemacht hatte Reisen 1' s Begegnung mit Saturn und sein Mond Titan .
Die Raumsonde führte eine Beinahe-Begegnung mit dem Mond Nereid durch, bevor sie am 25. August bis auf 4.400 km von der Neptunatmosphäre entfernt war, und passierte dann später am selben Tag in der Nähe des größten Mondes des Planeten Triton. Die Raumsonde bestätigte die Existenz eines Magnetfelds, das den Planeten umgibt, und entdeckte, dass das Feld vom Zentrum versetzt und ähnlich wie das Feld um Uranus geneigt war.
Die Rotationsperiode von Neptun wurde anhand von Messungen der Radioemissionen und . bestimmtReisen 2zeigte auch, dass Neptun ein überraschend aktives Wettersystem hatte. Während des Vorbeiflugs wurden sechs Neumonde entdeckt, und es wurde gezeigt, dass der Planet mehr als einen Ring hat.
Obwohl derzeit keine Missionen zu Neptun geplant sind, wurden einige hypothetische Missionen vorgeschlagen. Zum Beispiel wurde von der NASA eine mögliche Flaggschiff-Mission ins Auge gefasst, die irgendwann Ende der 2020er oder Anfang der 2030er Jahre stattfinden soll. Andere Vorschläge beinhalten eine mögliche Cassini-Huygens -Stil 'Neptune Orbiter with Probes', der bereits 2003 vorgeschlagen wurde.
Ein anderer, neuerer Vorschlag der NASA war für Argo – ein Vorbeiflug-Raumschiff, das 2019 gestartet werden sollte, das Jupiter, Saturn, Neptun und ein Kuipergürtel-Objekt besuchen würde. Im Fokus stünden Neptun und sein größter Mond Triton, die um 2029 untersucht würden.
Angesichts ihrer Entfernung von der Erde ist es kein Geheimnis, warum die transneptunische Region für uns mysteriös bleibt. In den kommenden Jahrzehnten sollen mehrere geplante Missionen dorthin reisen und die reiche Population von Eiskörpern und den riesigen Planeten, nach dem er benannt ist, erkunden. Aus diesen Studien werden wir wahrscheinlich viel über Neptun und die Geschichte des Sonnensystems lernen.
Wir haben viele interessante Artikel darüber geschrieben Neptun auf Universum heute. Hier ist Wer hat Neptun entdeckt? , Wie ist die Oberfläche von Neptun? , Was ist die Oberflächentemperatur von Neptun? , Wie viele Monde hat Neptun? , Wie ist die Atmosphäre von Neptun? , Welche Farbe hat Neptun? , Die Umlaufbahn von Neptun: Wie lange dauert ein Jahr auf Neptun?
Weitere Informationen zu Neptun finden Sie unter Pressemitteilungen von Hubblesite über Neptun , und hier ist ein Link zu NASAs Leitfaden zur Erforschung des Sonnensystems zu Neptun .
Wir haben eine ganze Episode von Astronomy Cast nur über Neptun aufgenommen. Hier können Sie es sich anhören, Folge 63: Neptun .
Quellen:
