Saturn: Zusammenhang zwischen Magnetosphäre und Jahreszeiten entdeckt

Der Gasriese Saturn mit seinem majestätischen Ringsystem, aufgenommen von der NASA-Raumsonde Cassini im Oktober 2004. (NASA / JPL / Space Science Institute)
Der Gasriese Saturn mit seinem majestätischen Ringsystem, aufgenommen von der NASA-Raumsonde Cassini im Oktober 2004. (NASA / JPL / Space Science Institute)

Ein Student der University of Iowa hat entdeckt, dass ein Prozess in Saturns Magnetosphäre in Zusammenhang mit den Jahreszeiten und damit einhergehenden Veränderungen auf dem Planeten steht – eine Entdeckung, die dabei hilft, die Länge eines Saturntages zu bestimmen und unser Verständnis der irdischen Magnetosphäre verändern könnte.

Die Magnetosphäre Saturns ist die drittgrößte Struktur des Sonnensystems und wird nur von den Magnetfeldern der Sonne und des Jupiter übertroffen. Im Gegensatz zur Erde, die eine sichtbare Gesteinsoberfläche hat und einmal in 24 Stunden rotiert, besteht Saturn hauptsächlich aus Wolken und flüssigen Gasschichten, die den Planeten jeweils mit ihrer eigenen Geschwindigkeit umrunden. Diese variable Rotation macht es Wissenschaftlern schwer, die Rotationsperiode des Planeten zu bestimmen. Vor mehreren Jahrzehnten glaubte man, dass ein starkes und natürlicherweise auftretendes Radiosignal – die kilometrische Strahlung des Saturn (Saturn kilometric radiation, SKR) – eine exakte Messung eines Saturntages liefern würde. Aber Daten einer NASA / ESA Sonde haben das Gegenteil bewiesen.

Unter Verwendung von Daten der NASA-Raumsonde Cassini, die im Jahr 2004 in die Umlaufbahn um Saturn eintrat, haben der Weltraumphysiker Donald Gurnett von der University of Iowa und andere Forscher jetzt gezeigt, dass die Nord- und Südpole ihre eigenen SKR-“Tage” besitzen, die über Zeitperioden von Wochen und Jahren variieren. Wie diese unterschiedlichen Perioden entstehen und durch die Magnetosphäre angetrieben werden, wurde NASA-Offiziellen zufolge eine zentrale Frage der Cassini-Mission.

Die Entdeckung von Tim Kennelly, einem Studenten mit den Hauptfächern Physik und Astronomie, ist eine der ersten direkten Beobachtungen von saisonalen Veränderungen in der Magnetosphäre Saturns. Außerdem übertragen sich die Ergebnisse auf alle Planeten, die eine Magnetosphäre besitzen – die Erde eingeschlossen. “Ich bin glücklich, so früh in meiner Karriere zu unserem Verständnis der Saturn-Magnetosphäre beigetragen zu haben”, sagte Kennelly, der leitende Autor der Studie, die online im Journal of Geophysical Research der American Geophysical Union (AGU) veröffentlicht wurde. “Ich hoffe, das setzt sich so fort.”

Künstlerische Darstellung der Magnetosphäre Saturns. (NASA / JPL / JHUAPL)
Künstlerische Darstellung der Magnetosphäre Saturns. (NASA / JPL / JHUAPL)

Forscher wissen seit einiger Zeit, dass die Prozesse in Saturns Magnetosphäre miteinander in Zusammenhang stehen – von der Aktivität, welche die SKR-Emissionen relativ nahe an dem Planeten erzeugt, bis zu den periodischen Signaturen in der Magnetosphäre Saturns, die sich Millionen Kilometer entlang seines Magnetschweifs erstrecken. Aber man wusste nicht, wie sie miteinander verbunden sind.

Kennelly analysierte Phänomene, die zwischen Juli 2004 und Dezember 2011 vom Radio and Plasma Wave Science (RPWS) Instrument an Bord von Cassini aufgezeichnet wurden und kam zu neuen Schlussfolgerungen darüber, wie die Ereignisse miteinander in Zusammenhang stehen. Zuerst schaute er sich die sich nach innen bewegenden “Flux Tubes” (etwa: “Flussröhren”) an, die aus heißem, elektrisch geladenen Gas – Plasma – bestehen. Er konzentrierte sich darauf, wie die Röhren anfänglich entstanden und analysierte sie, bevor sie sich unter dem Einfluss der Magnetosphäre auflösten. Dabei stellte er fest, dass das Auftreten der Röhren mit der Aktivität in der nördlichen und südlichen Hemisphäre übereinstimmt und von der Jahreszeit abhängt.

Kennelly fand heraus, dass das Auftreten der Flux Tubes während des Winters auf der Nordhalbkugel mit der SKR-Periode in der nördlichen Hemisphäre übereinstimmt. Eine vergleichbare Übereinstimmung zwischen Flux Tube und SKR wurde in der südlichen Hemisphäre während des Winters auf der Südhalbkugel registriert. Kennelly zufolge sind die Ereignisse sehr geordnet und folgen den saisonalen Veränderungen auf Saturn.

Dieses Ergebnis könnte den Blick der Wissenschaftler auf die Magnetosphäre der Erde und die Van-Allen-Strahlungsgürtel verändern, welche eine Vielzahl irdischer Aktivitäten beeinflussen – von der Sicherheit bei Weltraumflügen bis zur Satelliten- und Handy-Kommunikation. Über seine Forschungserfahrung sagte Kennelly: “Ich bin wirklich froh über die Unterstützung, die ich von Don Gurnetts Gruppe erhalten habe. Sie haben mich einen Großteil der Forschung selbst durchführen lassen. Ich bin wirklich dankbar.” Er ergänzt, dass er im nächsten Semester an eine Graduiertenfakultät wechseln werde und plane, seinen Doktor in Plasmaphysik zu machen.

Neben Kennelly waren der Postdoktorand Jared Leisner, der Wissenschaftler George Hospodarsky, sowie Donald Gurnett an der Arbeit beteiligt. Gurnett ist Kopf des RPWS-Projekts und der James A. Van Allen / Roy J. And Lucille A. Carver Professor für Physik und Astronomie.

Die Ergebnisse der Abhandlung sind online verfügbar und werden in einer kommenden Ausgabe der “Research Spotlight”-Rubrik von Eos, der wöchentlichen Zeitschrift der AGU, erscheinen. Die Forschungsarbeit wurde durch den Vertrag Nr. 1415150 mit dem Jet Propulsion Laboratory finanziert.

Quelle: http://now.uiowa.edu/2013/03/telling-time-saturn

(THK)

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