Ein Rätsel der Merkur-Atmosphäre gelöst

Bevor die Merkursonde MESSENGER der NASA endgültig in einen Orbit um ihren Zielplaneten eintreten kann, muss sie aus bahnmechanischen Gründen zuvor mehrere Vorbeiflüge am Merkur absolvieren. Bei den letzten so genannten Swing-by-Manövern im Januar und Oktober 2008 konnte MESSENGER unter anderem eine Fülle von Daten über die magnetische Umgebung Merkurs zur Erde übertragen. Diese geben wichtige Hinweise darauf, durch welchen Mechanismus Merkur seine Atmosphäre ständig erneuern kann.

Ein Beitrag von Timo Lange. Quelle: NASA, ESA.

Bisher war es ein Rätsel: Wie kann dieser massearme, innerste und dadurch sehr heiße Planet dauerhaft eine Atmosphäre, wenn auch eine extrem dünne, halten? Merkurs Oberflächentemperatur beträgt auf der Tagseite über 400° C. Durch die starke Sonnenlichteinstrahlung würden die Bestandteile der Merkuratmosphäre in relativ kurzer Zeit durch Photoevaporation, d. h. durch Ionisierung und Beschleunigung der Teilchen auf Fluchtgeschwindigkeit, ins All entweichen. Da Merkur seine kleine Atmosphäre aber offenbar über lange Zeiträume aufrechterhalten kann, muss es einen konstanten Nachschub an Teilchen geben. Doch wo kommt dieser her?
Zu Verdeutlichung sei gesagt, dass es im Fall von Merkur etwas übertrieben ist, von einer Atmosphäre zu sprechen. Der atmosphärische Druck an der Oberfläche beträgt nur ein Billiardstel des Drucks an der Erdoberfläche. Unter irdischen Bedingungen würde man von einem Vakuum sprechen. Der Mond hat eine vergleichbare “Atmosphäre”. Im Falle des Mondes wird diese durch die ständigen Kollisionen mit Teilchen des Sonnenwinds aufrechterhalten, die Atome aus der Mondoberfläche ablösen. Vom Merkur weiß man aber seit den Vorbeiflügen der unbemannten Sonde Mariner 10 in den Jahren 1974 und 1975, dass dieser im Gegensatz zum Mond ein Magnetfeld hat, was den größten Teil des Sonnenwindes um den Planeten leitet und Kollisionen nur in den Polregionen zuließe. Ganz so wie auf dem Mond kann der Nachfüllmechanismus demnach nicht aussehen.

NASA
Die extrem Dünne atmosphäre Merkurs beträchtigt in keiner Weise die Sichtbarkeit der Oberfläche und führt auch zu keiner Verwitterung der Oberfläche. Krater bleiben daher ähnlich wie auf dem Mond über Milliarden Jahre hinweg sichtbar.
(Bild: NASA)

Magnetische Tornados als Lösung?
MESSENGER konnte die Existenz dieses Magnetfeldes bei seinem Vorbeiflug im Januar 2008 bestätigen. Dank seiner hochentwickelten Instrumente, namentlich des Magnetometers MAG und des Energetic Particle and Plasma Spectrometer (EPPS), gelang es MESSENGER allerdings darüber hinaus zu bestätigen, dass Merkurs globales Magnetfeld lückenhaft ist. Diese Lücken können bis zu einem Drittel des Merkurdurchmessers groß werden. Durch sie können die Partikel des Sonnenwinds nun schlüpfen und die Oberfläche des Merkurs erreichen und so die Atmosphäre auffrischen. Doch wie kommt es zu diesen Lücken?

Die Lücken entstehen an genau den Orten, an denen die Magnetfeldlinien stark verzwirbelt sind und strudelhaft das planetare Magnetfeld mit dem interplanetaren Raum verbinden. Aufgrund dieser verdrehten Feldlinien spricht man bildlich von magnetischen Tornados, wobei es sich eigentlich um so genannte Flux Transfer Events (FTE) handelt. Diese Transferevents entstehen, wenn die geladenen Teilchen des Sonnenwindes ein eigenes Magnetfeld transportieren und sich die Feldlinien dieses interplanetaren Magnetfeldes mit denen des planetaren verbinden.

Im Falle des Erdmagnetfeldes haben u. a. die vier Cluster-Sonden der ESA dazu beigetragen, dass diese Phänomene in der magnetischen Umgebung der Erde besser verstanden werden konnten. Ohne diese Vorarbeit wäre die Interpretation der Daten von MESSENGER sicher schwieriger geworden. Die Cluster-Sonden konnten zeigen, dass magnetische Tornados im Magnetfeld der Erde wesentlich häufiger vorkommen als gedacht. Die Daten vom Merkur deuten nun allerdings darauf hin, dass die Frequenz, mit der Lücken im Feld auftreten, zehnmal höher ist als bei der Erde. Die relative Nähe zur Sonne kann nur für ca. ein Drittel der Häufigkeit der Tornados verantwortlich gemacht werden. Wie kommt also der Rest zustande? Warum treten die Phänomene (magnetische Rekonnexion und FTE) beim Merkur so häufig auf?
Neue Hinweise zu diesen Fragen wird eventuell das nächste Swing-by-Manöver liefern, das am 30. September diesen Jahres stattfinden wird. Anderthalb Jahre später wird MESSENGER endgültig in einen Orbit um Merkur eintreten. Das Magnetfeld des Merkurs wird auch eines der Hauptforschungsziele der europäisch-japanischen Sonde BepiColombo sein, deren Start momentan für 2013 geplant ist.

Die sehr dünne Atmosphäre des Merkurs setzt sich im Wesentlichen aus 42% Sauerstoff, 29% Natrium, 22% Wasserstoff sowie 6% Helium zusammen, wobei Wasserstoff und Helium direkt dem Sonnenwind zuzuschreiben sind. Die anderen Bestandteile stammen von der Oberfläche und wurden durch Sonnenwindteilchen gelöst.

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