Neue Erkenntnisse zum Südpolarwirbel auf Titan

Der Südpolarwirbel auf dem Saturnmond Titan, aufgenommen von der Raumsonde Cassini. (Credits: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute)
Der Südpolarwirbel auf dem Saturnmond Titan, aufgenommen von der Raumsonde Cassini. (Credits: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute)

Eine neue Studie, geleitet von einem Geowissenschaftler der University of Bristol, hat gezeigt, dass ein kürzlich beobachtetes unerwartetes Verhalten auf Saturns größtem Mond Titan dessen einzigartiger Atmosphärenchemie zuzuschreiben ist.

Titans polare Atmosphäre erfuhr kürzlich eine unerwartete und deutliche Abkühlung, was allen Modellvorhersagen widerspricht und sich von dem Verhalten auf allen anderen terrestrischen Planeten in unserem Sonnensystem unterscheidet. Titan ist Saturns größter Mond und größer als der Planet Merkur. Er ist der einzige Mond in unserem Sonnensystem, der eine dichte Atmosphäre besitzt.

Normalerweise ist die hochliegende polare Atmosphäre auf der Winterhemisphäre eines Planeten warm, weil herabsinkende Luft komprimiert und erwärmt wird – ähnlich wie in einer Fahrradpumpe. Rätselhafterweise scheint der Polarwirbel auf Titan stattdessen extrem kalt zu sein.

Vor ihrem feurigen Ende in Saturns Atmosphäre am 15. September 2017 machte die Raumsonde Cassini eine lange Beobachtungsreihe von Titans polarer Atmosphäre, die fast die Hälfte von Titans 29,5 Erdjahre langem Jahr abdeckte. Für diese Beobachtungsreihe nutzte Cassini das Composite Infrared Spectrometer (CIRS).

Die CIRS-Beobachtungen zeigten, dass sich der erwartete polare Hotspot am Winteranfang 2009 auszubilden begann. Allerdings entwickelte er sich bald darauf (im Jahr 2012) in einen Coldspot, wobei bis Ende 2015 Temperaturen bis zu 120 Kelvin gemessen wurden. Erst in den neuesten Beobachtungen von 2016 und 2017 ist der erwartete Hotspot zurückgekehrt.

Der Hauptautor Dr. Nick Teanby von der School of Earth Sciences an der University of Bristol sagte: "Bei der Erde, der Venus und dem Mars ist der Hauptkühlungsmechanismus der Atmosphäre Infrarotstrahlung, die von dem Spurengas Kohlenstoffdioxid emittiert wird. Weil Kohlenstoffdioxid eine lange atmosphärische Lebensdauer hat, ist es in allen Höhen gut durchmischt und wird von der atmosphärischen Zirkulation kaum beeinflusst.

"Auf Titan produzieren exotische photochemische Reaktionen in der Atmosphäre jedoch Kohlenwasserstoffe wie Ethan und Acetylen und Nitrile wie Cyanwasserstoff und Cyanoacetylen, die für den Großteil der Abkühlung sorgen", ergänzte Teanby.

Diese Gase werden in den oberen Atmosphärenschichten produziert und haben daher einen steilen vertikalen Gradienten, was bedeutet, dass ihre Häufigkeit sogar durch moderate vertikale Zirkulationen drastisch verändert werden kann. Deshalb führte das winterliche Absinken zu massiven Anreicherungen dieser aktiv strahlenden Gase über dem winterlichen Südpol.

Forscher nutzten die von Cassini gemessenen Temperaturen und Gashäufigkeiten zusammen mit einem numerischen Strahlungsgleichgewichtsmodell für Erwärmungs- und Abkühlungsraten, um zu zeigen, dass die Anreicherung von Spurengasen groß genug dafür war, eine drastische Abkühlung und extrem kalte atmosphärische Temperaturen zu verursachen. Das erklärt frühere Beobachtungen von seltsamen Eiswolken aus Cyanwasserstoff, die im Jahr 2014 von Cassinis Kameras über dem Pol registriert wurden.

"Dieser Effekt ist bislang einzigartig im Sonnensystem und wird nur durch Titans exotische Atmosphärenchemie ermöglicht. Ein vergleichbarer Effekt könnte auch in vielen exoplanetaren Atmosphären auftreten und Auswirkungen auf die Wolkenbildung und atmosphärische Dynamik haben", sagte Teanby.

Abhandlung: "The formation and evolution of Titan’s winter polar vortex" von Nicholas A. Teanby et al., Nature Communications

Quelle

(THK)

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