Astronomen lösen Rätsel um die Temperaturen planetarer Atmosphären

Auf diesem Foto befindet sich die Sonne kurz unterhalb des Horizonts und erzeugt ein orange-rotes Leuchten über der Oberfläche in der Troposphäre. Die Tropopause ist die braune Linie am oberen Rand der Troposphäre. Darüber liegen die Stratosphäre, höhere Atmosphärenschichten und die Schwärze des Weltalls. (NASA / Johnson Space Center)
Auf diesem Foto befindet sich die Sonne kurz unterhalb des Horizonts und erzeugt ein orange-rotes Leuchten über der Oberfläche in der Troposphäre. Die Tropopause ist die braune Linie am oberen Rand der Troposphäre. Darüber liegen die Stratosphäre, höhere Atmosphärenschichten und die Schwärze des Weltalls. (NASA / Johnson Space Center)

Eine atmosphärische Besonderheit, die die Erde mit Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun gemeinsam hat, kommt wahrscheinlich auf Milliarden Planeten vor. Das haben Forscher der University of Washington herausgefunden und das zu wissen könnte möglicherweise bei der Suche nach potenziell bewohnbaren Welten helfen.

Zunächst ein wenig Geschichte: Es ist bekannt, dass die Luft mit zunehmender Höhe kälter und dünner wird. Aber 1902 fand ein Wissenschaftler namens Léon Teisserenc de Bort mithilfe von Ballonen, die mit Instrumenten ausgestattet waren, einen Punkt in der Erdatmosphäre zwischen zwölf und 15 Kilometern Höhe, an dem die Luft aufhört sich abzukühlen und wärmer wird. Er nannte diesen unsichtbaren Umkehrpunkt eine „Tropopause“ und prägte die Begriffe „Stratosphäre“ für die Atmosphäre darüber und „Troposphäre“ für die darunter liegende Schicht, in der wir leben. Die Begriffe sind noch heute in Gebrauch.

Dann, in den 1980er Jahren, entdeckte ein NASA-Satellit, dass es auch in den Atmosphären der Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, sowie auf Saturns größtem Mond, Titan, Tropopausen gibt. Bemerkenswerterweise treten die Umkehrpunkte in den Atmosphären dieser verschiedenen Welten alle bei ungefähr demselben Level auf: bei einem Druck von etwa 0,1 Bar oder einem Zehntel des Oberflächenluftdrucks auf der Erde.

In einer Studie verwenden der Astronom Tyler Robinson und der Planetenwissenschaftler David Catling von der University of Washington jetzt grundlegende Physik, um zu zeigen, warum dies geschieht. Die Studie lässt darauf schließen, dass Tropopausen wahrscheinlich auf Milliarden Planeten und Monden mit dichten Atmosphären in der Galaxie existieren. Sie wurde am 8. Dezember 2013 online im Journal Nature Geosciences veröffentlicht.

„Die Erklärung liegt in den Eigenschaften der infraroten Strahlung“, sagte Robinson. Atmosphärische Gase nehmen Energie auf, indem sie infrarotes Licht von der sonnenbeschienenen Oberfläche eines Gesteinsplaneten oder von den tieferen Atmosphärenschichten eines Planeten wie Jupiter absorbieren, der keine Oberfläche besitzt.

Mit einem analytischen Modell zeigten Catling (ein Professor für Erd- und Weltraumwissenschaften) und Robinson (ein Postdoktorand der Astronomie), dass Atmosphären in großen Höhen aufgrund des geringen Drucks durchlässig für Wärmestrahlung werden. Oberhalb der Schicht, in der der Druck etwa 0,1 Bar beträgt, lässt die Absorption von sichtbarem oder ultraviolettem Licht die Atmosphären der Riesenplaneten (und die Atmosphären der Erde und Titan) mit zunehmender Höhe wärmer werden.

Die Physik, so schreiben sie, liefere eine Faustregel: dass der Druck an dem Tropopausen-Umkehrpunkt etwa 0,1 Bar beträgt. Das sollte für den Großteil der planetaren Atmosphären mit stratosphärischen Gasen gelten, die ultraviolettes oder sichtbares Licht absorbieren.

Astronomen könnten das Ergebnis nutzen, um die Temperatur- und Druckbedingungen auf den Oberflächen von Planeten zu extrapolieren und herauszufinden, ob die Welten potenziell bewohnbar sind. Der Schlüssel ist, ob die Druck- und Temperaturbedingungen flüssiges Wasser auf der Oberfläche eines Gesteinsplaneten erlauben.

„Dann haben wir einen Startpunkt, wo wir mit der Charakterisierung dieser Welt beginnen können“, sagte Robinson. „Wir wissen, dass die Temperaturen unterhalb der Tropopause ansteigen werden und wir haben einige Modelle, die den Anstieg unserer Meinung nach beschreiben. Davon ausgehend können wir beginnen, die Temperaturen bis runter auf die Oberfläche abzuleiten. Es ist toll, dass die gewöhnliche Physik nicht nur erklärt, was in den Atmosphären des Sonnensystems abläuft, sondern auch bei der Suche nach Leben anderswo helfen könnte.“

Die Finanzierung der Forschungsarbeit übernahm das Virtual Planetary Laboratory des NASA Astrobiology Institute.

Quelle: http://www.washington.edu/news/2013/12/09/astronomers-solve-temperature-mystery-of-planetary-atmospheres/

(THK)

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