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Astronomie+Physik

Überraschende Abkühlung des Neptun

Neptun
Infrarot-Aufnahmen des Neptun und Temperaturentwicklung. © Michael Roman/NASA/JPL/Voyager-ISS/Justin Cowart

Der Eisriese Neptun ist der fernste und mit am wenigsten erkundete Planet unseres Sonnensystems – entsprechend wenig weiß man über ihn und die ihn prägenden Prozesse. Eine überraschende Entwicklung auf dem Planeten haben nun Auswertungen von 17 Jahren der Infrarotbeobachtungen ergeben. Sie enthüllen, dass sich der Neptun seit 2003 um rund acht Grad abgekühlt hat – obwohl er in dieser Zeit den Höhepunkt seines Südsommers erlebte. Noch erstaunlicher ist eine rapide Aufheizung des Neptun-Südpols, der sich in nur zwei Jahren von 2018 bis 2020 um elf Grad erwärmt hat. Angesichts von Jahreszeiten, die 40 Jahre dauern, können die Astronomen einen so schnellen und drastischen Wandel bisher nicht erklären.

Neptun ist der äußerste Planet unseres Sonnensystems. Er kreist rund 30 astronomische Einheiten von der Sonne entfernt und erhält entsprechend wenig Licht und Wärme von unserem Zentralstern: Im Schnitt herrschen auf dem Eisriesen deshalb Temperaturen von minus 201 Grad Celsius. Umso erstaunlicher ist es, dass dieser Planet keine erstarrte Welt ist, sondern trotzdem eine sehr dynamische Atmosphäre besitzt. Auf ihm toben die schnellsten Stürme des Sonnensystems und seine Wolken können innerhalb weniger Tage erscheinen und wieder verschwinden oder auch Monate bis Jahre sichtbar bleiben. Überraschend sind diese rapiden Veränderungen auch deshalb, weil der Neptun 165 Jahre für einen Umlauf um die Sonne benötigt und sich seine Jahreszeiten im gemächlichen Takt von rund 40 Jahren wechseln.

Infrarotteleskope als Planeten-Thermometer

Wie die Jahreszeiten die Temperaturen und atmosphärischen Prozesse auf dem Neptun verändern, ist jedoch bisher kaum bekannt. Denn um seine Temperatur von der Erde aus zu messen, benötigt man hochauflösende Teleskope im mittleren Infrarotbereich, die als eine Art Wärmebildkamera fungieren können. „Solche räumlich genügend hoch aufgelösten Infrarotbeobachtungen wurden erst in den letzten zwei Jahrzehnten überhaupt möglich“, erklären Michael Roman von der University of Leicester und seine Kollegen. Erst seitdem können leistungsstarke Teleskope wie das Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte ESO und das Gemini South-Teleskop in Chile, sowie das Gemini North-Teleskop und die Teleskope des Keck-Observator auf Hawaii die Temperaturen des fernen Neptun genauer erfassen. Auch das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA hat den Planeten immer wieder mit seinen Infrarotoptiken ins Visier genommen.

Diese Daten haben Roman und sein Team nun ausgewertet und so die Temperaturentwicklung des Neptun im Verlauf der letzten 17 Jahre rekonstruiert. Ihre Daten erfassen die Entwicklung der Temperaturen in der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre seit 2003 und damit auch die Entwicklung seit der Sommersonnenwende auf der Südhalbkugel des Planeten im Jahr 2005. „Unsere Daten decken weniger als die Hälfte einer Jahreszeit des Neptuns ab, sodass niemand erwartet hatte, große und schnelle Veränderungen zu sehen“, sagt Co-Autor Glenn Orton vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA. Modellen zufolge müssten sich die Südhalbkugel und vor allem die Südpolarregion des Neptun aber in der zweiten Sommerhälfte allmählich erwärmen. Außerdem könnte es zunehmende photochemische Reaktionen in der Stratosphäre geben.

(Video: ESO/ M. Roman)

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Kälter statt wärmer

Die Auswertungen der Infrarotdaten enthüllten jedoch nicht das Erwartete – im Gegenteil: Statt sich zu erwärmen, kühlte sich der Neptun mit dem Fortschreiten des Sommers ab, erkennbar an der abnehmenden Helligkeit des Planeten im Infrarot. Die Temperatur der unteren Stratosphäre sank von 2003 bis 2018 um rund acht Grad Celsius, wie das Team ermittelte. „Diese Veränderung war unerwartet, denn da wir den Neptun seit Beginn des Frühsommers beobachtet haben, würden wir einen langsamen Anstieg der Temperaturen erwarten, nicht ein Absinken“, sagt Roman. Eine mögliche Erklärung für diese Entwicklung sehen die Astronomen in Wechselwirkungen der Temperaturen mit photochemischen Prozessen: „Während Methan das Sonnenlicht absorbiert und die Atmosphäre dadurch erwärmt, sind die photochemisch gebildeten Kohlenwasserstoffe wie Ethan und Acetylen starke Infrarot-Emitter, die zur Kühlung der Stratosphäre beitragen“, erklärt das Team.

Ebenfalls überraschend war eine in der Zeit von 2018 bis 2020 beobachtete Veränderung am Südpol des Neptun. Demnach hat sich die vom einem Polarwirbel gekennzeichnete Südpolregion des Eisriesen in diesen zwei Jahren um drastische elf Grad erwärmt. „Diese rapiden Veränderungen sind für eine saisonale Schwankung überraschend schnell, vor allem wenn man bedenkt, dass der Südpol schon seit 1963 konstant in der Sonne liegt“, schreiben die Forscher. „Offenbar sind in der Atmosphäre des Neptun zusätzlich Prozesse am Werk, die innerhalb der Jahreszeiten und auf regionalen wie globalen Skalen stattfinden.“ Welche Prozesse dies jedoch sind, ist bislang unklar. Die Astronomen hoffen, dass neue Teleskope wie das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA und das erdbasierte Extremely Large Telescope (ELT) der Europäischen Südsternwarte ESO die Gründe für die erstaunlichen Entwicklungen auf dem Neptun enthüllen können.

Quelle: Michael Roman (University of Leicester, UK) et al., Planetary Science Journal, doi: 10.3847/PSJ/ac5aa4

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