Die spektakulären blauen Dunstschichten in Plutos Atmosphäre, aufgenommen von der NASA-Raumsonde New Horizons. Image via NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.
By Andrew A. Cole, University of Tasmania
Die unheilvolle Warnung – „der Winter kommt“, populär geworden durch die Fantasy-Serie „Game of Thrones“ – trifft auch auf Pluto zu.
Die dünne Atmosphäre des Zwergplaneten scheint am Rande eines atemberaubenden Zusammenbruchs zu stehen, der auf den Wechsel der Jahreszeiten und die herannahende Kälte zurückzuführen ist. Dies geht aus Forschungsergebnissen hervor, die in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht werden.
Der 1930 entdeckte Zwergplanet wurde erst um 1980 von Astronomen entdeckt, die vermuteten, dass Pluto eine Atmosphäre haben könnte. Diese Atmosphäre wurde 1985 versuchsweise entdeckt und 1988 durch unabhängige Beobachtungen vollständig bestätigt.
Zu diesem Zeitpunkt konnten die Astronomen nicht wissen, welche dramatischen Veränderungen der dünnen Hülle aus Stickstoff, Methan und Kohlenwasserstoffen des kleinen Planeten bevorstanden.
Ein kosmischer Zufall
Durch einen kosmischen Zufall gab es in den letzten Jahrzehnten des 20. und den ersten Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts auch eine glückliche Übereinstimmung von Erde, Pluto und den dichten Sternfeldern des fernen Zentrums der Milchstraße.
Diese Animation kombiniert verschiedene Beobachtungen von Pluto im Laufe mehrerer Jahrzehnte. Image via NASA.
Dieser Zufall bedeutet, dass Pluto relativ oft zwischen uns und einem Hintergrundstern vorbeizieht. Wenn dies geschieht, fällt sein Schatten auf die Erde, ein Ereignis, das die Astronomen als Bedeckung bezeichnen.
Während einer Bedeckung kann jedes Observatorium, das sich zufällig in der Bahn des Schattens befindet, beobachten, wie der Stern zu verschwinden scheint, wenn Pluto vor ihm vorbeizieht, und dann wieder auftaucht, wenn sich die planetarischen Ausrichtungen verschieben. An jedem beliebigen Ort auf der Erdoberfläche dauert eine Pluto-Bedeckung höchstens ein paar Minuten.
Die Technik der Bedeckungen ist weit verbreitet, um die Bahnen, Ringe, Monde, Formen und Atmosphären der Welten des äußeren Sonnensystems, einschließlich Asteroiden, Kometen, Planeten und Zwergplaneten, zu studieren.
Durch den Vergleich dessen, was Beobachter an verschiedenen Orten auf der Erde sehen, kann die Größe und Form der bedeckenden Welt ermittelt werden. Wenn das Objekt eine Atmosphäre hat, kann das Sternenlicht beim Durchgang durch die Planetenatmosphäre für einige kurze Sekunden durch Absorption und Brechung verändert werden, wenn es aus- und wieder eingeht.
Seit den ersten erfolgreichen Bedeckungsmessungen in den 1980er Jahren haben eine Reihe von Beobachtungen immer genauere Messungen von Plutos Radius ermöglicht und unser Verständnis von Temperatur und Druck seiner Atmosphäre kontinuierlich verbessert.
Lange Umlaufbahn und Jahreszeiten
Wie die Erde hat auch Pluto einen jahreszeitlichen Zyklus, der durch die Neigung seiner Pole zur Ebene seiner Umlaufbahn bedingt ist. Im Laufe des langen Pluto-Jahres – das entspricht 248 Erdenjahren – sind zuerst der Nordpol und dann der Südpol zur fernen Sonne hin geneigt.
Eine Zeichnung des Sonnensystems zeigt Plutos geneigte Bahn, die zudem elliptischer ist als die der Planeten. Bild via NASA (modifiziert).
Im Gegensatz zur Erde ist Plutos Bahn jedoch extrem elliptisch gestreckt. Seine Bahn ist so langgestreckt, dass seine Entfernung von der Sonne zwischen 4,4 und 7,4 Milliarden Kilometern schwankt (30 bis 50 Mal so weit wie die Entfernung zwischen Erde und Sonne).
Im Gegensatz dazu schwankt die Entfernung der Erde von der Sonne im Laufe eines Jahres nur um 3,4 Prozent. Plutos Atmosphäre wurde kurz vor seiner größten Annäherung an die Sonne entdeckt, die 1989 stattfand.
Seit 1989 hat sich Pluto von der Sonne zurückgezogen. Die Temperaturen sind entsprechend gesunken.
Unter Druck
Als Pluto begann, sich von der Sonne zu entfernen, erwarteten die Astronomen, dass dadurch sein atmosphärischer Druck sinken würde, ähnlich wie der Druck in einem Autoreifen bei Kälte sinkt und bei Hitze steigt. Die Beobachtungen von 1988 bis 2016 haben jedoch gezeigt, dass der Atmosphärendruck stetig ansteigt.
Unmittelbar vor der Ankunft der NASA-Sonde New Horizons im Jahr 2015 haben Bedeckungsmessungen ergeben, dass sich der atmosphärische Druck auf Pluto seit 1988 verdreifacht hat (das Äquivalent auf der Erde wäre der Vergleich des Drucks auf dem Gipfel des Mount Everest mit dem auf Meereshöhe).
Was ist die Ursache für diese Diskrepanz? Jeder Gedanke, dass die Bedeckungsmessungen fehlerhaft waren, wurde durch das Radio Science Experiment (REX) an Bord von New Horizons ausgeräumt, das direkte Messungen in Übereinstimmung mit den erdgebundenen Beobachtern lieferte.
Die neue Forschung hat das Rätsel mit Hilfe eines jahreszeitlichen Modells für den Transport von Gas und Eis um die Oberfläche des Planeten gelöst.
Auch wenn Pluto sich jedes Jahr weiter von der Sonne entfernt, wird sein Nordpol während dieses Teils seiner Umlaufbahn ständig von der Sonne beschienen, was dazu führt, dass seine Stickstoff-Eiskappe in die Gasphase zurückkehrt.
Das erklärt den schnellen Anstieg des atmosphärischen Drucks in den letzten drei Jahrzehnten.
Aber die Klimamodellierung zeigt, dass sich dieser Trend nicht fortsetzen wird.
Die gefrorenen Canyons von Plutos Nordpol, aufgenommen von der NASA-Raumsonde New Horizons. Image via NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.
Winter really is coming
Pluto wird sich bis zum Jahr 2113 weiter von der Sonne entfernen, und das schwache Sonnenlicht wird nicht ausreichen, um die südlichen Polarregionen ähnlich zu erwärmen.
Während des langen nördlichen Herbstes und Winters wird erwartet, dass Plutos Atmosphäre kollabiert und auf der Oberfläche zufriert wie Eis auf einer Autoscheibe in einer klaren und kalten Winternacht.
Am Tiefpunkt wird die Atmosphäre voraussichtlich weniger als fünf Prozent ihres derzeitigen Drucks aufweisen. Die Kombination aus Plutos naher Annäherung an die Sonne und dem Frühling auf der Nordhalbkugel wird sich bis zum Jahr 2237 nicht wiederholen.
Bis dahin wird es von entscheidender Bedeutung sein, unser Verständnis von Modellen der Planetenatmosphäre unter extremen Niedrigtemperatur- und Niedrigdruckbedingungen durch fortgesetzte Bedeckungsmessungen zu testen.
Diese Gelegenheiten werden jedoch seltener werden, da Plutos Umlaufbahn seine scheinbare Position weiter von den dichten Sternenfeldern des galaktischen Zentrums entfernt, die uns bei den Beobachtungen geholfen haben.
Andrew A. Cole, Senior Lecturer in Astrophysik, Universität von Tasmanien
Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons Lizenz veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.
Fazit: Ein Astrophysiker erklärt, warum Pluto seine Atmosphäre verliert.
Mitglieder der EarthSky-Gemeinschaft – darunter Wissenschaftler sowie Wissenschafts- und Naturjournalisten aus der ganzen Welt – äußern sich dazu, was ihnen wichtig ist. Foto von Robert Spurlock.