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Autor: Lars-C. Depka / 14. Mai 2009, 13:04 Uhr

Saturns Energierätsel

Die Entdeckung der ersten Exoplaneten im Jahre 1995 markierte den Beginn einer neuen Ära in den Planetenwissenschaften, die gekennzeichnet war durch immer schnellere Nachweise neu hinzugekommener Planeten in anderen Sonnensystemen. Mehr als 330 Mitglieder umfasst derzeit die illustre Familie der Exoplaneten, die meisten unter ihnen sind, nachweismethodisch bedingt, Gasgiganten in engen Orbits um ihren Mutterstern.

Quelle: Universität Rostock
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Sie bestehen ähnlich der Gasriesen Jupiter und Saturn in unserem Sonnensystem primär aus Wasserstoff und Helium. Die beobachtete Zusammensetzung der Gasplaneten ist nicht weiter verwunderlich, schließlich wird im gesamten Kosmos (unter Nichtberücksichtigung der Dunklen Materie) ein Gesamtanteil des Wasserstoffes von über 80% angenommen. Im Sonnensystem macht Wasserstoff 75% der gesamten Masse, bzw. 93% aller Atome aus. Umso größer ist natürlich das Interesse an der Beantwortung der Fragen bezüglich der inneren Struktur, dem Ursprung und der Entwicklung solcher Planeten.

NASA

Saturn
(Bild: NASA)
Eines der grundlegenden Verständnisprobleme des Saturn war seit Jahrzehnten die Tatsache, dass er etwa doppelt soviel Energie an den Weltraum abgibt, als er von der Sonne erhält, was ohne das Vorhandensein einer internen Energieressource kaum vorstellbar wäre.

Als möglichen Kandidaten einer solchen planeteneigenen Energiequelle sieht man nun die Entmischung von Wasserstoff und Helium in großen Teilen des Planeteninneren an.

Im Erdkern herrschen Drücke von etwa 3,5 Millionen Atmosphären und entsprechend hohe Temperaturen. Verschwindend geringe Werte gegenüber dem, was im Inneren des Saturn vor sich geht. Die bei ihm herrschenden Kerndrücke erreichen vermutlich das 70 Millionenfache des irdischen, die Temperatur im tiefen Innenbereich übertrifft mit angenommenen 20.000 °C die der Sonnenoberfläche um das Drei- bis Vierfache.

Unter solchen extremen Bedingungen verkehren sich selbst grundlegende Eigenschaften der Hauptbestandteile des Planeten mitunter ins Gegenteil. Unter gewöhnlichen Bedingungen zeichnen sich Helium und Wasserstoff durch ihre gute Mischbarkeit untereinander aus. Diese Eigenschaft scheint sich bei einem Druck von etwa 1 Million Atmosphären in Abhängigkeit von der herrschenden Temperatur zu verlieren, die Entmischung setzt ein.

NASA

Infrarotaufnahme der Planetenoberfläche
(Bild: NASA)
Infolge der Entmischung sinken die Heliumtröpfchen, durch die dichte Atmosphäre entsprechend gebremst, langsam in tiefere Schichten ab und geben dabei Gravitationsenergie frei, was der Schlüssel in der Lösung des Energierätsels des Saturn zu sein scheint. Als physikalische Ursache für die Entmischung wird die Leitfähigkeit des Wasserstoffes angesehen, die unter den Extrembedingungen des Saturn einsetzt, währenddessen das Helium nichtleitend verbleibt.

Im Unterschied zum größeren Jupiter sind bei Saturn diese Entmischungsbedingungen bis zum Kern hin erfüllt, beim wärmeren Jupiter findet Endmischung der Hauptbestandteile - wenn überhaupt - lediglich in einer kleinen Schicht statt. Insofern unterscheiden sich die inneren Gegebenheiten der beiden größten Gasplaneten des Sonnensystems doch erheblich voneinander. Eine der zentralen künftigen Fragestellungen in diesem Zusammenhang lautet also, ob die Gasgiganten eine Schichtstruktur besitzen, wie diese aufgebaut sein könnte und in welcher Tiefe die Grenzen zwischen den Schichten verlaufen.

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