De spectaculaire lagen blauwe waas in Pluto’s atmosfeer, vastgelegd door NASA’s New Horizons ruimtevaartuig. Afbeelding via NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.
By Andrew A. Cole, University of Tasmania
De onheilspellende waarschuwing – “winter is coming”, populair gemaakt door fantasieserie “Game of Thrones” – is even goed van toepassing op Pluto.
De ijle atmosfeer van de dwergplaneet lijkt op het punt te staan van een verbluffende ineenstorting als gevolg van een verandering in de seizoenen en naderende koudere omstandigheden, volgens onderzoek dat zal worden gepubliceerd in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics.
Ontdekt in 1930, begonnen astronomen pas rond 1980 te vermoeden dat Pluto een atmosfeer zou kunnen hebben. Die atmosfeer werd in 1985 voorzichtig ontdekt en in 1988 door onafhankelijke waarnemingen volledig bevestigd.
Op dat moment konden de astronomen niet weten welke dramatische veranderingen de dunne enveloppe van stikstof, methaan en koolwaterstoffen van de kleine wereld te wachten stonden.
Een kosmisch toeval
Door een kosmisch toeval zagen de laatste decennia van de 20e eeuw en de eerste decennia van de 21e ook een gelukkige samenkomst van de aarde, Pluto en de dichte stellaire velden van het verre centrum van de Melkweg.
Deze animatie combineert verschillende waarnemingen van Pluto in de loop van enkele decennia. Afbeelding via NASA.
Dit toeval betekent dat Pluto relatief vaak tussen ons en een achtergrondster passeert. Wanneer dit gebeurt, valt zijn schaduw op de aarde, een gebeurtenis die astronomen een occultatie noemen.
Tijdens een occultatie kan elk observatorium dat toevallig binnen het pad van de schaduw ligt, zien hoe de ster lijkt te verdwijnen als Pluto ervoor langs gaat, en dan weer tevoorschijn te komen als de planetaire uitlijningen verschuiven. Voor een bepaalde plaats op het aardoppervlak duurt een Pluto occultatie hooguit een paar minuten.
De techniek van occultaties is op grote schaal gebruikt om de banen, ringen, manen, vormen en atmosferen van de werelden van het buitenste zonnestelsel te bestuderen, met inbegrip van asteroïden, kometen, planeten en dwergplaneten.
Door te vergelijken wat waarnemers op verschillende plaatsen op aarde zien, kan de grootte en vorm van de occulterende wereld worden uitgewerkt. Als het object een atmosfeer heeft, dan kan gedurende een paar korte seconden, als het sterlicht uit- en dan weer aangaat, het sterlicht door absorptie en breking worden veranderd, terwijl het door de atmosfeer van de planeet gaat.
Sinds de eerste succesvolle occultatiemetingen in de jaren tachtig, heeft een opeenvolging van waarnemingen steeds nauwkeurigere metingen van Pluto’s straal vastgesteld, en ons begrip van de temperatuur en druk van zijn atmosfeer voortdurend aangescherpt.
Lange omloopbaan en seizoenen
Net als de aarde heeft Pluto een seizoenscyclus als gevolg van de helling van zijn polen ten opzichte van het vlak van zijn omloopbaan. In de loop van Pluto’s lange jaar – gelijk aan 248 aardse jaren – staan eerst de noordpool en dan de zuidpool schuin ten opzichte van de verre zon.
Een tekening van het zonnestelsel toont Pluto’s gekantelde baan, die ook elliptischer is dan die van de planeten. Afbeelding via NASA (aangepast).
Maar in tegenstelling tot de aarde is de baan van Pluto uitgerekt tot een extreme elliptische vorm. Zijn baan is zo langgerekt dat zijn afstand tot de zon varieert van 4,4 tot 7,4 miljard kilometer (30 tot 50 keer zo ver als de afstand tussen de aarde en de zon).
In tegenstelling daarmee varieert de afstand van de aarde tot de zon slechts 3,4 procent in een jaar. De atmosfeer van Pluto werd ontdekt vlak voordat Pluto zijn dichtste benadering van de zon bereikte, wat in 1989 gebeurde.
Sinds 1989 is Pluto zich van de zon aan het terugtrekken. De temperaturen zijn navenant gedaald.
Onder druk
Op het moment dat Pluto zich van de zon begon af te bewegen, verwachtten astronomen dat daardoor zijn atmosferische druk zou dalen, ongeveer zoals de druk in een autoband afneemt bij koud weer en toeneemt bij warmte. Integendeel, waarnemingen van 1988-2016 hebben een gestage toename van de atmosferische druk laten zien.
Onmiddellijk voor de aankomst van NASA’s New Horizons sonde in 2015 ontdekten occultatiemetingen dat de atmosferische druk op Pluto sinds 1988 is verdrievoudigd (het equivalent op aarde zou zijn om de druk op de top van Mt. Everest te vergelijken met die op zeeniveau).
Wat is de oorzaak van de discrepantie? Elke gedachte dat de occultatiemetingen fout waren, werd verbannen door het Radio Science Experiment (REX) aan boord van New Horizons, dat directe metingen teruggaf die overeenkwamen met die van de aardse waarnemers.
Het nieuwe onderzoek heeft het mysterie opgelost met behulp van een seizoensgebonden model voor het transport van gas en ijs rond het oppervlak van de planeet.
Ondanks dat Pluto elk jaar verder van de zon komt te staan, wordt zijn noordpool tijdens dit deel van zijn baan voortdurend door de zon beschenen, waardoor zijn stikstof-ijskap terugkeert naar de gasfase.
Dit verklaart de snelle toename van de atmosferische druk in de afgelopen drie decennia.
Maar uit de klimaatmodellen blijkt dat deze trend zich niet zal voortzetten.
De bevroren ravijnen van Pluto’s noordpool, vastgelegd door NASA’s New Horizons ruimtevaartuig. Image via NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute.
De winter komt er echt aan
Pluto zal zich tot het jaar 2113 verder van de zon verwijderen, en het zwakke zonlicht zal niet voldoende zijn om de zuidelijke poolgebieden op vergelijkbare wijze op te warmen.
Tijdens de lange noordelijke herfst en winter wordt verwacht dat de atmosfeer van Pluto zal instorten, en op het oppervlak zal uitdruipen als ijs op een voorruit van een auto op een heldere en koude winternacht.
Op zijn laagst wordt voorspeld dat de atmosfeer minder dan vijf procent van zijn huidige druk zal hebben. De combinatie van Pluto’s dichte nadering tot de zon en de lente op het noordelijk halfrond zal zich niet herhalen tot het jaar 2237.
Tot die tijd zal het van cruciaal belang zijn om ons begrip van planetaire atmosfeermodellen onder extreem lage temperatuur en lage drukomstandigheden te testen door voortdurende occultatiemetingen.
Maar deze mogelijkheden zullen minder frequent worden naarmate Pluto’s baan zijn schijnbare positie verder wegbrengt van de dichte sterrenvelden van het galactische centrum die ons hielpen de waarnemingen te doen.
Andrew A. Cole, Senior Lecturer in Astrophysics, University of Tasmania
Dit artikel is heruitgegeven uit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.
Bodemlijn: Een astrofysicus legt uit waarom Pluto zijn atmosfeer verliest.
Leden van de EarthSky-gemeenschap – waaronder wetenschappers, maar ook wetenschaps- en natuurschrijvers van over de hele wereld – geven hun mening over wat voor hen belangrijk is. Foto door Robert Spurlock.