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Astronomie+Physik

Eisschichten und ionisierte Atome: Wie die Magnetfelder von Uranus und Neptun entstehen

Einige Planeten im Sonnensystem, darunter die Erde, Jupiter, Saturn, wahrscheinlich auch Merkur und der Jupiter-Mond Ganymed, haben ein ähnliches Magnetfeld wie ein Stabmagnet. Nur die beiden äußeren Gasriesen Uranus und Neptun fallen aus dem Rahmen: Ihre Felder sind komplizierter, zudem stimmen die magnetischen Pole nicht mit den Polen der Rotationsachse überein. Warum das so ist, haben Sabine Stanley und Jeremy Bloxham von der Harvard University jetzt aufgeklärt.

Im Wissenschaftsmagazin Nature (Bd. 428, S. 134 u. 151) stellen die Forscher Computersimulationen der Dynamos der beiden Planeten vor. Wie bei den anderen Planeten mit Magnetfeld wird das Feld auch bei Uranus und Neptun durch Bewegungen einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit in einer Kugelschale erzeugt. Bei der Erde fließt zum Beispiel flüssiges Eisen im äußeren Erdkern rund um den inneren Erdkern aus festem Eisen. Bei Jupiter und Saturn entsteht das Feld durch walzenförmige Bewegungen von so genanntem metallischem Wasserstoff. Wegen des hohen Drucks ist das Gas in Protonen und Elektronen gespalten.

Einer Theorie zufolge sind Uranus und Neptun vermutlich schalenförmig aufgebaut. Unterschiedliche Sorten Eis, zum Beispiel Wasser, Methan, Ammoniak und Schwefelwasserstoff, liegen übereinander. Ähnlich wie das Mantelgestein der Erde ist das Eis im Prinzip fest, verhält sich über längere Zeiträume jedoch wie eine Flüssigkeit. Außerdem sind die Atome wahrscheinlich teilweise ionisiert. Neuere Forschungsergebnisse zeigen allerdings, dass die unteren Schichten stabil sind und dass nur das Eis in der äußersten, dünnen Schale zu Konvektionsbewegungen in der Lage ist.

Als Stanley und Bloxham diese Geometrie in ihr Computermodell eingaben, erhielten sie Magnetfelder, die gut mit den von Voyager 2 gemessenen Daten der beiden Planeten übereinstimmten. Die magnetischen Pole liegen sowohl bei Neptun als auch bei Uranus in der Nähe des Äquators. Außerdem hat das Magnetfeld nicht die einfache Dipol-Form eines Stabmagneten, sondern ähnelt eher einem vierblättrigen Kleeblatt, einem so genannten Quadrupol. Die Berechnungen der Forscher zeigen außerdem, dass die Magnetfelder der beiden Eisplaneten sich nur in ihrer Form von denen der anderen Planeten unterscheiden. Der Dynamoprozess, der sie erzeugt, ist dagegen der gleiche wie bei Erde, Jupiter und Saturn.

Ute Kehse
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