Den Schleier auf Plutos Atmosphäre anheben

Sophia Nasr ist Wissenschaftsjournalistin für die kostenlose Pluto Safari App von Simulation Curriculum. Sie studiert Astrophysik an der York University in Toronto, ist Präsidentin des Astronomie-Clubs der Universität und Mitglied des Observatoriums der York University. Sie hat diesen Artikel dazu beigetragen ProfoundSpace.org Experten-Stimmen: Op-Ed & Insights

Du könntest erraten, dass eine kleine und ferne Welt, die fast 40 Mal weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde von der Sonne, keine Atmosphäre hat, aber im Fall von Pluto liegst du falsch. Tatsächlich ist Pluto eine komplexe Welt, besonders wenn es um Wettermuster geht. Stürmische Winde, Wolken, Dunst, Mikroschneeflocken und sogar Eisvulkane - Kryovulkanismus - könnten alle Teil von Plutos dynamischem Wettersystem sein. Während solche Beobachtungen von erdgebundenen Teleskopen stammen, könnten noch viele weitere Überraschungen enthüllt werden, wenn die Raumsonde New Horizons der NASA am 14. Juli 2015 ihre nächste Annäherung an Pluto vornimmt.

Aber egal wie du es klassifizierst, dieser eisige und ferne Zwergplanet ist eine merkwürdige kleine Welt.

Obwohl Pluto 1930 von Clyde Tombaugh entdeckt wurde, haben Wissenschaftler erst 1988 während einer Sternbedeckung eine Atmosphäre auf dem Zwergplaneten entdeckt. In einer Sternenbedeckung, in der ein Körper wie ein Planet vor einem relativ hellen Stern vorbeigeht und das allmähliche Abdunkeln von Sternenlicht während eines solchen Ereignisses misst, können Wissenschaftler eine breite Palette von Informationen über einen Planeten sammeln, einschließlich seiner Größe hat Ringe oder wenn eine Atmosphäre vorhanden ist. Nachdem theoretisch herausgefunden wurde, dass Pluto eine Atmosphäre haben sollte, machten sich Wissenschaftler daran, sie zu finden.

"Als die Sternbedeckung von 1988 stattfand, waren Wissenschaftler auf der Suche nach der Atmosphäre, die seit mehr als einem Jahrzehnt aus theoretischen Gründen erwartet wurde", sagte Alan Stern, New Horizons Principal Investigator, per E-Mail.

Die Sternbedeckung von Pluto am 9. Juni 1988 bot Astronomen die erste Möglichkeit, Teleskope in Australien, Neuseeland und dem Kuiper Airborne Observatory zu benutzen, das über dem Ozean südlich der Samoa-Inseln flog, um eine Atmosphäre auf dem Zwergplaneten zu entdecken.

Wenn eine Atmosphäre auf Pluto nicht vorhanden wäre, würde Sternenlicht sofort am Ende der Bedeckung blinken und dann wieder aufleuchten. Zu Beginn und am Ende der Bedeckung jedoch wurde Plutos Atmosphäre vom Stern hinterleuchtet, und das Sternenlicht wurde allmählich dunkler. Indem sie modellierten, wie die Atmosphäre das Sternenlicht brach oder verbog, stellten Forscher fest, dass Pluto eine dünne Atmosphärenschicht aus gasförmigen Formen des Eises - Stickstoff, Methan, Kohlenmonoxid und Spuren anderer - hat, die seine Oberfläche bedecken.

"Die Lichtkurve der Bedeckung zeigt einen strukturierten Rückgang der Intensität und nicht einen plötzlichen Rückgang, der auf eine Atmosphäre um Pluto schließen lässt", sagte Paul Delaney, Dozent für Physik und Astronomie an der York University in Toronto.

Wenn Astronomen die Lichtdaten graphisch darstellen, zeigt ein sorgfältiger Blick auf das allmähliche Dimmen von Sternenlicht, das in der Lichtkurve der Okkultation gezeigt wird, eine "leichte Biegung" oder "Knick". Sie können auch von der Lichtkurve sehen, dass das Sternenlicht nicht bis zur Oberfläche von Pluto durchdringt. Das Sternenlicht erreichte die Oberfläche nicht, was darauf hindeutete, dass verdunkelnde Wolken und / oder Nebel die Oberfläche verdecken könnten.

"Die Symmetrie und Struktur der Lichtkurve der Okkultation deutet auf eine Atmosphäre mit Struktur im Vergleich zum Fehlen einer Atmosphäre um Pluto hin", bemerkte Delaney. Daher deutet das Vorhandensein des gleichen Knicks auf beiden Seiten der Kurve darauf hin, dass es eine Atmosphäre gibt, die Pluto verschlingt, sagte er.

Die jüngste Pluto-Okkultationsmöglichkeit war am 29. Juni 2015 in der südlichen Hemisphäre, nur zwei Wochen bevor New Horizons sich dem Pluto-System am nächsten nähert. Das einzige Observatorium, das sich direkt im Zentrum von Plutos Schatten vor Neuseeland positionieren konnte, war das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (SOFIA) der NASA, eine Boeing 747SP, die so modifiziert wurde, dass sie ein Teleskop mit einem Durchmesser von 2,5 Metern trug .

"SOFIA-Beobachtungen von Pluto demonstrieren die Fähigkeit, detaillierte Messungen der atmosphärischen Dichte und Struktur von Pluto durchzuführen", sagte Pamela Marcum, SOFIA-Programmwissenschaftlerin am Ames Research Center der NASA. "SOFIA hat im Juli 2011 seine erste Bedeckungsbeobachtung durchgeführt, an der auch Pluto beteiligt war. Dieser Flug trägt zu unserem Verständnis bei, wie sich die Atmosphäre von Pluto über mehrere Jahre hinweg entwickelt, da sie aufgrund ihrer länglichen Umlaufbahn weiter von der Sonne entfernt ist."

Nachdem sich die Existenz der Pluto-Atmosphäre bestätigt hatte, begannen Wissenschaftler zu untersuchen, wie sich die Atmosphäre und die Oberflächentemperatur während Plutos 248-Jahr-Jahr-Umlaufs um die Sonne verändern. Die Umlaufbahn von Pluto folgt einer stark elliptischen Umlaufbahn, die einem gequetschten Kreis ähnelt. Tatsächlich ist seine Umlaufbahn so elliptisch, dass Pluto während des Perihel (sein nächster Punkt zur Sonne) nur etwa 30 Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt ist, wodurch er der Sonne näher kommt als seinem nächsten Nachbarn, Neptun.

Während Aphelion (der äußerste Punkt von der Sonne) ist Pluto etwa 50 AE von der Sonne entfernt. (Eine AU ist etwa 150 Millionen Kilometer (93 Millionen Meilen), definiert als eine Entfernung zwischen Erde und Sonne.)

Der große 20-AU-Unterschied zwischen Plutos Perihel und Aphelabstand führt zu interessanter Chemie auf Plutos Oberfläche und in seiner Atmosphäre. Pluto ist ein felsiger Körper mit Eis bedeckt. Im Perihel steigt Plutos Oberflächentemperatur auf etwa minus 220 Grad Celsius an, wodurch das Eis an seiner Oberfläche sublimieren kann - das heißt, es geht direkt von einem Festkörper zu einem Gas über.Die entstehenden Dämpfe bilden eine Atmosphärenschicht aus molekularem Stickstoff (mit Spuren von Kohlenmonoxid und Methan).

Die Wissenschaftler dachten ursprünglich, dass Pluto, wenn er von der Sonne zurücktritt und die Temperatur auf etwa minus 240 C (minus 400 F) sinkt, gefriert und auf die Oberfläche des Zwergplaneten fällt. Beobachtungen, die erst im Jahr 2013 gemacht wurden und von der Gruppe "Portable High-Speed ​​OccultationTelescope" von mehreren Standorten aus koordiniert wurden, darunter der 0,9-m-Astrograph des Inter-American Observatory (CTIO) von Cerro Tololo und das 1-m-Liverpool-Teleskop auf den Kanarischen Inseln, weisen auf Plutos hin die Atmosphäre kollabiert nicht, sondern verdichtet sich.

Obwohl Plutos Atmosphäre durch die Sonnenumlaufbahn immer dünner wird, kann sie nie vollständig ausfrieren und "zusammenbrechen".

Michael Summers, Co-Investigator von New Horizons und Mitglied des Themen-Teams "Atmosphere Science", sagte, es sei zu früh, um zu sagen, ob Plutos Atmosphäre ausfriert oder in ihrer Umlaufbahn anhält. Dies ist sinnvoll, da Pluto seit der Entdeckung seiner Atmosphäre im Jahr 1988 nur ein Zehntel einer Umlaufbahn um die Sonne gemacht hat.

Die Sommer verwendeten eine greifbare Analogie, um zu erklären, was geschehen könnte - eines, das wir täglich auf der Erde sehen. "Es gibt eine Zeitverzögerung zwischen der höchsten Temperatur und der maximalen Heizung. ... Die maximale Erwärmung von der Sonne während des Tages ist, wenn die Sonne direkt über der Sonne ist, gegen Mittag", erklärte er. "Die höchste Temperatur tritt aber meist erst gegen 14 Uhr nachmittags auf. Die Erde erwärmt sich weiter von Mittag auf 2 Uhr. Das liegt an einer thermischen Verzögerung, es braucht weniger Zeit, um die Atmosphäre aufzuheizen, als sie braucht beruhigen.

"Ich denke, für Pluto braucht es nur Zeit, um sich abzukühlen", fügte Summers hinzu. "Tatsächlich kann es sich immer noch aufheizen, so wie wir immer noch auf der Erde sind, sagen wir 1 Uhr, Zeitrahmen für Pluto."

Eine weitere interessante Tatsache über Plutos Atmosphäre ist, dass sie sich schnell entwickelt. Die Arbeit eines Teams, das von Jane Greaves, einem Astrophysikforscher an der Universität von St. Andrews in Schottland, geleitet wird, zeigt, dass die Kohlenmonoxiddichte in Plutos Atmosphäre in nur einem Jahrzehnt zugenommen hat. Darüber hinaus fand das Team von Greaves Kohlenmonoxid, das sich mehr als 3.000 Kilometer von Plutos Oberfläche entfernt. Die Moleküle, die solche Ausmaße erreichen, werden wahrscheinlich entkommen, da sie von den Sonnenwinden nur in den Weltraum getragen werden.

Wenn New Horizons das Pluto-System erreicht, werden an Bord von wissenschaftlichen Instrumenten wie Alice, einem empfindlichen Ultraviolett-Bildgebungsspektrometer, mehr über die Zusammensetzung und Struktur der dynamischen Atmosphäre des Zwergplaneten erfahren. Fortgesetzte Beobachtungen der stellaren Bedeckungen von Pluto werden uns zeigen, ob ihre Atmosphäre ausfriert. Pluto erreichte 1989 das Perihel, und es wird bis 2237 nicht wieder Perihel erreichen. Wenn die Atmosphäre ausfriert, werden die Wissenschaftler das erst um das Jahr 2200 beobachten.

In einer Entfernung von 30 bis 50 AE (verglichen mit der Erde 1 AU) von der Sonne gibt es keinen Zweifel, dass Pluto kalt ist. Aber die Zusammensetzung von Plutos Atmosphäre macht die Geschichte dank der Anwesenheit von Methan etwas interessanter.

"Die Temperatur der Atmosphäre erhöht sich schnell mit der Höhe über der Oberfläche aufgrund der Erwärmung der Atmosphäre durch Methan, das Infrarotstrahlung von der Sonne absorbiert", sagte Summers.

Methan absorbiert extrem effektiv Wärme, weshalb es ein so starkes Treibhausgas auf der Erde ist. Die Mengen in der Atmosphäre von Pluto reichen aus, um die Infrarotstrahlung (Wärme) von der Sonne aufzunehmen und die obere Atmosphäre zu erwärmen. Dies verursacht einen Temperaturgradienten auf Pluto, was dazu führt, dass die Temperaturen mit einer Höhe von bis zu minus 173 C (minus 279 F) ansteigen. Es gibt auch ein Druckgefälle, wobei die Drücke mit höheren Höhen ansteigen. Der Druck reicht von etwa 20 Mikroben auf der Pluto-Oberfläche bis zu 3 Mikrobars. Der Druck nimmt mit der Höhe weiter ab, bis er das Vakuum des Weltraums erreicht. Zum Vergleich, der atmosphärische Druck auf der Erde auf Meereshöhe beträgt 1.000.000 Mikrobars (oder 1 bar).

Die Wechselwirkung zwischen warmer und kalter Luft sowie Schwankungen zwischen niedrigerem und höherem Druck erzeugen Winde auf Pluto, die während des Periheliums zunehmen. Es sind nicht die vertikalen Temperatur- und Druckgradienten, sondern eher horizontale, die auf Pluto wehen.

"Weder der vertikale Temperaturgradient noch der vertikale Druckgradient treiben Winde, zumindest direkt", sagte Summers. "Es braucht horizontale Gradienten in beide Richtungen, um Winde zu treiben. Sie können horizontale Druckgradienten aus ungleichmäßigen Verteilungen von molekularem Stickstoff (N2) Eis erhalten, und Sie können horizontale Temperaturgradienten von ungleichmäßiger Erwärmung von der Sonne bekommen. Beide werden wahrscheinlich fahren windet sich auf Pluto. " Diese Winde wiederum helfen dabei, Eis auf Plutos Oberfläche zu verteilen.

Angela Zalucha, eine Wissenschaftlerin des SETI-Instituts, schätzt die Windgeschwindigkeiten auf Pluto auf nur 37 km / h. Einige Klimamodelle, die die gleichen Algorithmen verwenden wie der Mars (durchgeführt von Zalucha und Amanda Gulbis, einem planetaren Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology), legen nahe, dass sie bis zu 225 mph (360 km / h) hoch sein können.

"Diese Winde sind etwa 100 km über der Oberfläche von Pluto", sagte Summers. "In diesen Höhenlagen gibt es keine planetare Grenzschichtreibung mit der Oberfläche (das heißt, das Oberflächengelände übt keinen Reibungswiderstand auf den sich darüber bewegenden Wind aus), so dass Hochgeschwindigkeitswinde möglich sein könnten. Das wäre weit darüber hinaus Wo sich möglicherweise Wolken bilden könnten, wird die Fluchtgeschwindigkeit aus Pluto in noch höheren Lagen sogar Überschall.In der oberen Atmosphäre von Pluto sind daher ziemlich schnelle Winde möglich. "

Diese Bedingungen würden denen in der Erdatmosphäre ähneln, wo die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt. Summers warnte jedoch davor, dass die Unsicherheit der Forscher über Plutos Windgeschwindigkeiten ziemlich hoch sei.

"Wir wissen nicht genug über die Verteilung von Heizung und Eis zur Berechnung der Windgeschwindigkeiten", sagte er.

Glücklicherweise werden New Horizons die Windgeschwindigkeiten auf Pluto während seiner engsten Annäherung untersuchen und hoffentlich schlüssigere Daten liefern.

Selbst in einer durchschnittlichen Entfernung von 6 Milliarden Kilometern von der Sonne erreichen Sonnenwinde Plutos Umlaufbahn und darüber hinaus. Während sie auf der Umlaufbahn von Pluto etwa 1000-mal weniger dicht sind als auf der Erde, blasen Sonnenwinde, die Protonen und Elektronen sowie ionisiertes Helium und Sauerstoff transportieren, mit etwa 300 bis 500 km / s (187 bis 311 Meilen / s) nach außen. Sowohl die Sonnenwinde als auch die UV-Strahlung der Sonne spielen in der Atmosphäre von Pluto eine Rolle, insbesondere in der oberen Atmosphäre (der Exosphäre).

"Wir erwarten, dass Plutos entweichende Atmosphäre durch UV-Photonen aus der Sonne - Sonnenlicht - ionisiert wird, anstatt durch den Sonnenwind", sagte Frances Bagenal, Teamleiterin für New Horizons Plasmauntersuchungen, des Laboratoriums für Atmosphären- und Weltraumphysik an der Universität von Colorado , Felsbrocken. "Aber sobald die atmosphärischen Moleküle ionisiert sind, sehen sie das interplanetare (solare) Magnetfeld und werden durch elektrische Kräfte" aufgenommen "und vom Sonnenwind mitgerissen. Wie immer bei der Physik bleibt der Impuls erhalten, so dass der Sonnenwind entsprechend ist verlangsamt."

Das letzte bisschen über die Impulserhaltung rechtfertigt ein wenig Erklären. Das Momentum ist das Produkt der Masse und der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Körpers. Die physikalischen Gesetze besagen, dass der Impuls immer in einem System erhalten bleibt, da er weder erzeugt noch zerstört werden kann, sondern zwischen kollidierenden Körpern übertragen werden kann. (Die Impulsvektoren jedes interagierenden Körpers können addiert werden.) Wenn die Sonnenwinde eindringen und die ionisierten Moleküle in Plutos äußerer Atmosphäre aufnehmen, nehmen sie mehr Masse auf. Daher muss die Geschwindigkeit abnehmen, damit der Impuls erhalten bleibt.

Der Grund, warum die Moleküle die Sonnenwinde "sehen", wenn sie ionisiert werden, ist, dass sie jetzt eine Ladung haben und somit mit dem vom Sonnenwind getragenen Magnetfeld interagieren können. Der Prozess, wie von Bagenal bemerkt, kann auch Sonnenwinde um Pluto auf dieser Skala ablenken. Die Forschungsarbeiten zu Solar Wind Around Pluto (SWAP) und Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation (PEPSSI) an Bord von New Horizons werden die Sonnenwinde in der Nähe des Pluto-Systems analysieren.

Wie bereits erwähnt, kann Pluto auch Wolken und Dunst haben, die aus den Bestandteilen seiner Atmosphäre bestehen: molekularem Stickstoff und etwas Kohlenmonoxid und Methan. Das Vorhandensein von Wolken ist jedoch abhängig von der Existenz eines Temperaturgradienten wie auf der Erde.

"Auf der Erde gibt es eine sogenannte Troposphäre, in der die Temperatur mit der Höhe abnimmt und Wasser übersättigt und Wolken bildet", sagte Summers. "Über der Troposphäre der Erde steigt die Temperatur in der Stratosphäre wieder an. Auf dem Pluto gibt es wahrscheinlich keine sehr dicke Troposphäre. Tatsächlich könnte sie nur 1 km bis 2 km dick sein, so dass es Wolken geben würde muss sehr nahe an der Oberfläche sein. "

Und mit Wolken muss irgendeine Art von Regen kommen oder, in Plutos Entfernung von der Sonne, Schnee. Aber dieser Schnee ist nicht der, den wir hier auf der Erde sehen - und das nicht nur wegen seiner Zusammensetzung, sondern auch wegen der plumpen Atmosphäre von Pluto.

"Auf der Erde haben wir eine sehr dicke Atmosphäre mit viel kondensierbarem Wasserdampf", sagte Summers. "Aber auf Pluto mit seiner dünnen Atmosphäre denke ich, dass alle kondensierten Teilchen sehr klein sein würden, vielleicht Mikrometer groß, also würden sie sich wahrscheinlich nicht als Schneeflocken bilden. Aber sie könnten immer noch regulär sein, mit hexagonalen Symmetrie - wie 'Babyschneeflocken" auf der Erde."

Forscher glauben, Pluto könnte auch eine Ionosphäre und ein schwaches Magnetfeld haben.

"Neue Horizonte können potentiell sowohl eine Ionosphäre um Pluto mit REX als auch jedes (wie auch immer unwahrscheinliche) starke Magnetfeld über SWAP und PEPSSI erkennen", sagte Stern in einer E-Mail.

Während Pluto tatsächlich ein Magnetfeld und eine Ionosphäre haben kann - ein Ort, an dem die Auroras, die den Himmel der Erde blenden, beheimatet sind - sind die Chancen, Auroren am Himmel von Pluto zu sehen, sehr gering.

"Aurora [s] sind sehr unwahrscheinlich, weil (a) es sehr unwahrscheinlich ist, dass ein Magnetfeld die geladenen Teilchen in einer kleinen Region der Atmosphäre fokussiert (notwendig auf anderen Planeten) und (b) der schwache Sonnenwind wahrscheinlich weit abgelenkt wird [ 10 Sekunden Pluto-Radien] um Pluto herum ", sagte Bagenal in einer E-Mail.

Eine weitere überraschende Entdeckung wäre der Kryovulkanismus - Vulkanausbrüche von gasförmigem Material wie Wasser, Ammoniak oder Methan - auf Pluto. Aber jüngste Beobachtungen haben Astronomen dazu gebracht, genau das zu spekulieren. Während Plutos obere Atmosphäre zwischen 1988 und 2013 wenig verändert hat, hat seine niedrigere Atmosphäre etwas anderes gezeigt. Plutos Lichtkurve zeigt eine Krümmung in der Nähe des Bodens, aber in neueren Beobachtungen beginnt die Kurve am Boden, schüsselförmig zu sein.

Die zunehmende Krümmung bedeutet, dass die Atmosphäre in der Nähe von Plutos Oberfläche an Druck zunimmt und dass ein Dunst seine Oberfläche bedeckt. Wegen dieser extremen Veränderungen haben Astronomen spekuliert, dass die Ursache Kryovulkanismus sein könnte.

Ein kürzlich erschienener Artikel in der Zeitschrift Icarus, der 2015 von Marc Neveu von der School of Earth & Space Exploration der Arizona State University und seinen Kollegen veröffentlicht wurde, besagt, dass für den Kryovulkanismus atmosphärische Bestandteile Kohlenmonoxid, molekularer Stickstoff, Methan und molekularer Wasserstoff erforderlich sind.Wenn ein Körper eine Fülle von mindestens einer von denen hat, die (a) erfordert, dass das Kohlenmonoxid nicht durch eine Wassermasse gelöst wird, (b) eine große Menge an angesammeltem molekularen Stickstoff oder (c) "reduzierte Gase" (wie Methan), das in den Massen über Hydrothermalquellen erzeugt wird, kann es Kryovulkanismus auf der Oberfläche des Planeten geben. Wenn das der Fall ist, dann kann Pluto eine unterirdische Flüssigkeitsschicht haben. Das Papier schreibt auch die Möglichkeit des Kryovulkanismus zu Plutos größtem Mond Charon zu. Neue Horizonte werden dieses Geheimnis aufklären, sobald die Raumsonde den Zwergplaneten am nächsten erreicht.

Während Astronomen eine Vorstellung davon haben, wie Plutos Atmosphäre ist und welche Wettermuster sie zeigen kann, sobald New Horizons bei Pluto eintrifft, werden die Instrumente an Bord der Raumsonde Daten ihrer Atmosphäre in beispiellosem Detail aufnehmen.

Während New Horizons während des Vorbeiflugs hinter Pluto und seinem Schatten gleitet, wird ein Ultraviolett-Bildspektrometer an Bord der Raumsonde Alice das gefilterte Sonnenlicht analysieren, das durch Plutos Atmosphäre dringt. Dadurch können Wissenschaftler mehr über die Zusammensetzung der Atmosphäre, ihre Dichte und Temperatur erfahren. Alice wird auch nach einer Ionosphäre suchen, einem Ort, an dem Elektronen und Moleküle, die von der Sonne ionisiert werden, wandern (möglicherweise dort, wo Auroras entstehen können). Alice wird dann Plutos Mond Charon betrachten, um festzustellen, ob eine schwache Spur einer Atmosphäre vorhanden ist.

"Wenn New Horizons die Sonnenbedeckung mit Alice beobachtet, werden uns die Beobachtungen die Zusammensetzung und Dichte der Plutos Atmosphäre als Funktion der Höhe zeigen", sagte Stern.

New Horizons wird helfen, grundlegende Fragen zur Dichte der Plutos Atmosphäre, ihrer Struktur, ihrer Temperatur und ob ihre Oberfläche tatsächlich mit Wolken und Dunst verhüllt ist, sowie ihre Ionosphäre und ihr Magnetfeld zu beleuchten. Astronomen werden genauere Schätzungen von Plutos Größe erhalten und mehr Einblick in die Windgeschwindigkeiten auf dem Zwergplaneten erhalten. Mit all den Entdeckungen, die New Horizons bereits von Pluto und seinem Mond Charon gemacht hat, müssen Wissenschaftler den Schleier des Geheimnisses, der diese ferne Welt umgibt, aufheben.

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