14.05.2007 / Autor: Kirsten Müller Raumfahrt > Saturn Aktuell

Jetstreams auf dem Saturn und die Atmosphäre von Titan

Jetstreams sind in der Erdatmosphäre ein bekanntes Phänomen. Sie bewegen Wolken in einer nahezu horizontalen Strömungsachse schnell ost- oder westwärts. Neue Cassini-Untersuchungen haben ergeben, dass solche Jetstreams auch in der Atmosphäre des Saturns auftreten.

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„Angetrieben“ werden diese vermutlich durch riesige Wirbelstürme, ähnlich wie Motoren, die ein Fließband antreiben. Die neue Hypothese verhält sich entgegengesetzt zu den Vermutungen vor der Cassini-Mission. „Anfangs nahmen wir an, die Jetstreams, als ‚Fließband’, seien der Antrieb für die Wirbelstürme. Nun vermuten wir das Gegenteil: dass die rotierenden Wirbelstürme die Jetstreams antreiben“, so Anthony Del Genio vom NASA Goddard Institute for Space Studies, New York, der seine Ergebnisse im Astronomiejournal „Icarus“ veröffentlicht hat.

„Intuitiv würde man vermuten, dass die Wirbelstürme den Jetstreams durch ihre Reibung Energie rauben. Stattdessen pumpen sie gerade Energie in die Jets hinein“, sagt Andrew Ingersoll vom California Institute of Technology, Pasadena, Kalifornien. Auf der Erde war dieser Prozess schon länger bekannt und wurde vor kurzem auch auf Jupiter entdeckt. Für den Saturn ist diese Idee neu; bei den Voyager-Missionen sind diese Wirbelsturm-Jetstream-Wechselwirkungen noch nicht entdeckt worden. Das Cassini-Team war die erste Forschergruppe, die analysierte, auf welche Weise die Wirbel und Stürme mit den Jetstreams von Saturn wechselwirken. Die Wolken wurden in Abständen von 10 Stunden - so lang dauert eine Saturnumdrehung - fotografisch festgehalten. Dabei wurde festgestellt, dass die Stürme an beiden Seiten des Jetstreams etwas von ihrer Energie und ihrem Impuls abgeben, wodurch der Jetstream in Bewegung bleibt.

„Dass die Wirbel die Jets antreiben, wussten wir, weil beide in die gleiche Richtung zeigen und Impuls in diese Richtung lenken. Wären die Wirbel anders herum gelaufen, so hätten wir auf das Gegenteil geschlossen“, so Ingersoll.

NASA/JPL

Bild vergrößernJetstreams auf dem Saturn
(Bild: NASA/JPL)
Es wurden Aufnahmen vom größten Teil der Saturn-Südhalbkugel gemacht. Eine Analyse dieser Bilder lässt schließen, dass ähnliche Prozesse überall auf dem Planeten stattfinden. So lässt sich erklären, dass Saturns abwechselndes Muster von westwärts und ostwärts gerichteten Strömen während der Jahrzehnte, seit denen die Wissenschaftler den Planeten jetzt beobachten, konstant geblieben ist. Cassini hat den gleichen Effekt beim Jupiter beobachtet, als er dort auf dem Weg zum Saturn vorbeiflog. Auf der Erde ist der Effekt hinlänglich bekannt von den beiden Jetstreams, die die nördliche und südliche Erdhalbkugel umkreisen.

Die Ergebnisse lassen schließen, dass frühere Hypothesen über die bandförmigen Wolken auf Jupiter und Saturn überarbeitet werden müssen. „Wir haben zuerst angenommen, dass die hellen Wolkenbänder Gebiete sind, wo die Luft steigt, während sie bei den dunklen Bändern sinkt. Wenn aber die Wirbelstürme die Jetstreams so antreiben, wie wir es beobachten, muss das Gegenteil wahr sein“, so Del Genio. „Und in der Tat sehen wir Gewitter bei beiden Planeten nur in den dunklen Bändern, was heißt, dass die Luft dort steigt.“

Auch über die Atmosphärenchemie des Saturnmondes Titan hat es spannende neue Erkenntnisse gegeben. Schon länger war bekannt, dass sich in den tieferen Regionen der Titanatmosphäre – in einer Höhe von mehreren hundert Kilometern – organische Aerosole befinden, sogenannte Tholine. Diese bilden sich dadurch, dass einfache Moleküle wie Methan und Stickstoff, die sich in den oberen Atmosphärenschichten befinden, durch UV-Strahlung und hochenergetische Teilchen aktiviert werden. Es wird angenommen, dass diese Tholine verantwortlich sind für den leicht orangefarbenen Nebel, der die Oberfläche Titans bedeckt.

In einer neuen Studie von Ergebnissen, die drei Spektrometer an Bord von Cassini gemessen haben, ist nun herausgefunden worden, dass sich Tholine auch in höheren Schichten der Titanatmosphäre gebildet haben, auf über 1000 km. Wissenschaftler des Southwest Research Institute (SwRI), der Universität von Kansas, des University College London und der University of Texas, San Antonio, haben die Ergebnisse ihrer Untersuchungen am 11. Mai 2007 im renommierten Wissenschaftsjournal „Science“ veröffentlicht.

„Tholine sind sehr große, komplexe Moleküle, von denen angenommen wird, dass einige ihrer Komponenten chemische Vorläufer von Leben sind“, sagt SwRI-Wissenschaftler Dr. Hunter Waite, Leiter des Cassini-Ionen-Neutral-Massenspektrometer-Teams (INMS). „Ein näheres Verständnis ihres Bildungsmechanismus' kann wertvolle Erkenntnisse liefern bei der Suche nach dem Ursprung des Lebens im Sonnensystem.“

Bei den ersten Flybys von Cassini beim Titan hat das INMS eine Atmosphäre entdeckt, die vorwiegend aus Stickstoff und Methan besteht. Bei späteren Messungen wurde allerdings die Anwesenheit von Benzen und polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen festgestellt, die den Grundbaustein aromatischer Kohlenwasserstoffe bilden. Gleichzeitig detektierten zwei andere Sensoren, die zur Cassini Plasma Spectrometer (CAPS)-Apparatur gehören, das Ion Beam Spectrometer (IBS) und das Electron Spectrometer (ELS), große, positiv und negativ geladene Ionen.

NASA/JPL

Bild vergrößernVermutetes Schema der Tholine-Bildung auf dem Titan.
(Bild: NASA/JPL)
Angenommen wird der in dem nebenstehenden Bild dargestellte Reaktionsmechanismus:

Nachdem die UV-Strahlung und die hochenergetischen Teilchen die einfachen Moleküle Stickstoff und Methan aktivieren, bilden diese kleine Moleküle wie Cyanwasserstoff sowie kleine Ionen, aus denen sich dann polyzyklische Aromaten sowie Nitrile bilden. Hieraus entstehen große, negativ geladene Teilchen, die als Aerosole in der Titanatmosphäre auftreten und aus denen sich die Tholine bilden, die sich schließlich auf der Titanoberfläche niederlassen.

„Die negativ geladenen Ionen waren eine große Überraschung“, sagte Dr. David Young, ebenfalls SwRI-Wissenschaftler und Leiter des CAPS-Forschungsprojektes. „Vermutlich spielen sie eine unerwartete Rolle in der Bildung von Tholinen aus kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Verbindungen. Auch überrascht uns die große Anzahl negativer Ionen, die Cassini während seiner Vorbeiflüge so nah über der Oberfläche gefunden hat“, so Andrew Coates, Wissenschaftler beim Mullard Space Science Laboratory, University College London. „Diese neuentdeckte, wichtige, hohe Konzentration repräsentiert eine hochsignifikante Proportion der gesamten Ionosphäre an diesen Orten.“

„Unsere Analyse lässt vermuten, dass sich erst ionische Verbindungen bilden, die dann zu elektrisch neutralen Molekülen reagieren. Aus diesen entstehen dann die komplexen, negativ geladenen Ionen, die das ELS entdeckt hat“, fügt Waite hinzu.

„Zukünftige Missionen zum Titan sollten sich auf eine komplette chemische Analyse der Titanoberfläche konzentrieren, inklusive der Isotope“, sagt Sushil Atreya, Direktor vom Planetary Science Laboratory, University of Michigan, in Ann Arbor. „Wer weiß, vielleicht finden wir ja noch Moleküle, die eine Vorstufe von Leben sein könnten.“

Cassinis nächster Vorbeiflug am Titan findet am 12. Mai 2007 statt. Bei diesem Vorbeiflug wird ein großer Methansee genauer untersucht, der in etwa genauso groß ist wie das Kaspische Meer auf der Erde.

Quellen: NASA / JPL; http://www.swri.org ; www.rsc.org (Royal Society of Chemistry)
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