Sternengeschichten Folge 166: Die Atmosphäre des Pluto

Pluto ist eine faszinierende Welt. Lange Zeit unter anderem deswegen, weil wir so wenig über den kleinen Himmelskörper gewusst haben. Aber je mehr wir über Pluto erfahren haben, desto faszinierender ist er geworden! Wer hätte zum Beispiel gedacht, das ein so kleiner, kalter und weit entfernter Eisbrocken eine so interessante Atmosphäre hat?

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Sternengeschichten Folge 166: Die Atmosphäre von Pluto

Pluto ist ein faszinierender Himmelskörper. Ok, eigentlich sind alle Himmelskörper auf ihre eigene Art faszinierend. Aber Pluto war immer irgendwie außergewöhnlich. Als er 1930 das erste Mal beobachtet wurde, feierte man die Entdeckung eines neuen Planeten. Nachdem man dann aber erkannte, dass es sich nicht wirklich um einen Planeten handelt, sondern viel mehr um einen großen Asteroiden verlor Pluto im Jahr 2006 seinen Status als Planet und wird nun offiziell als “Zwergplanet” bezeichnet. Seine Faszination hat er aber nicht verloren.

Ein Grund dafür war sicherlich auch die Tatsache, dass wir sehr lange sehr wenig über Pluto wussten. Während in den 1960er und 1970er Jahren schon alle anderen Planeten von Raumsonden besucht worden waren, gab es von Pluto nicht mehr als Bilder, die einen hellen Lichtpunkt zeigten. Die besten Teleskope der Erde und die noch besseren Weltraumteleskope schafften es nicht, mehr als nur verschwommene Aufnahmen des kleinen Himmelskörpers zu zeigen auf denen keine Strukturen seiner Oberfläche zu erkennen waren.

Es hat bis zum Juli 2015 gedauert, bevor Pluto Besuch von einer Raumsonde bekommen hat und wir endlich mehr über ihn erfahren haben. Unter anderem über seine Atmosphäre.

Blauer Himmel über der dunklen Seite des Pluto (Bild: NASA/JHUAPL/SwRI)

Eine Atmosphäre bei Pluto? Das klingt irgendwie seltsam. Denn wenn wir auch sehr viel sehr lange nicht gewusst habe: Eines war schon ziemlich bald nach der Entdeckung des Pluto klar. Der Himmelskörper ist vergleichsweise klein. Sein Durchmesser beträgt nur 2370 Kilometer. Damit ist er kleiner als die acht Planeten des Sonnensystems und sogar kleiner als viele Monde dieser Planeten. Er ist sogar deutlich kleiner als der Mond der Erde, der es auf einen Durchmesser von 3476 Kilometer bringt.

Je kleiner ein Himmelskörper ist, desto geringer ist die Gravitationskraft die er ausüben kann und desto unwahrscheinlicher ist es auch, dass er in der Lage ist, eine Atmosphäre festzuhalten. Und das ist bei Pluto natürlich auch der Fall. Es war nie damit zu rechnen, dass man dort eine Gashülle findet, die der Lufthülle der Erde ähnlich ist. Aber man hat schon ziemlich früh vermutet, dass man dort zumindest eine ganz dünne Atmosphäre entdecken könnte.

Denn Pluto befindet sich fern der Sonne, in der Region des Sonnensystems in der während der Entstehung der Planeten und Asteroiden sehr viel Eis vorhanden war. Und mit “Eis” sind allgemein gefrorene Gase gemeint, nicht nur das Wassereis, das wir hier auf der Erde meistens meinen, wenn wir dieses Wort verwenden. Die bisher dort entdeckten Himmelskörper bestehen deswegen alle auch zu einem großen Teil aus diesem Material. Es handelt sich um Objekte mit einem felsigen Kern über dem eine dicke Schicht aus Eis liegt.

Aber selbst wenn es so enorm kalt ist wie in der fernen Ecke des Sonnensystems in der sich Pluto befindet, bleibt Eis nicht immer fest. Es schmilzt natürlich nicht – aber es kann sich im Laufe der Zeit verflüchtigen. Einzelne Moleküle lösen sich im Laufe der Zeit aus der Kristallstruktur und entkommen in Form von Gas in die Umgebung. Diesen Vorgang nennt man Sublimation und man kann das auch selbst ausprobieren: Man muss Eiswürfel nur lange genug im Tiefkühlfach lassen und sie werden irgendwann trotz der geringen Temperaturen verschwunden sein.

Auch Pluto gehört zu diesen Eiswelten und wenn da nun so viel Eis vorhanden ist, dann sollte ein Teil davon auch sublimieren und eine dünne und flüchtige Atmosphäre bilden. Schon in den 1940er Jahren suchte der Astronom Gerard Kuiper – nach dem auch der Asteroidengürtel benannt ist, in dem sich Pluto befindet – nach Hinweise auf eine Atmosphäre bei Pluto. Mit der damaligen Technik hatte er aber keine Chance und blieb erfolglos. 1976 entdeckte man bei Beobachtungen, dass auf Pluto Methaneis existieren muss und diese Art von Eis würde bei den dort herrschenden Temperaturen auf jeden Fall sublimieren. Eine Atmosphäre aus Methan – zumindest ein bisschen – sollte dort eigentlich zu finden sein.

Wirklich gefunden hat man aber trotzdem nichts. Erst in den 1980er Jahren machte man Fortschritte. Da kam das Universum den Astronomen zu Hilfe. 1985 und 1988 fanden sogenannte Sternbedeckungen statt. Das bedeutet, das Pluto von der Erde aus gesehen genau vor einem Stern vorüber zieht. Beobachtet man das Licht des Sterns, wird es kurzfristig schwächer bzw. verlischt während Pluto uns den Blick verstellt. Aus der Dauer der Verdunkelung kann man dann zum Beispiel den Durchmesser des Himmelskörpers sehr gut bestimmen. Man kann aber auch nachsehen, ob das Licht schlagartig verschwindet oder nicht.

Denn hat Pluto keine Atmosphäre, dann würde das Licht des Sterns von einem Moment auf den anderen verschwinden. Existiert aber eine Hülle aus Gas, dann wird es zuerst nur ein wenig schwächer, bevor es verschwindet. Denn zu Beginn der Bedeckung kann das Licht des Sterns noch durch die Atmosphäre des Pluto zu uns gelangen und wird dabei nur abgeschwächt aber nicht völlig blockiert. Erst wenn sich der Himmelskörper selbst vor den Stern schiebt, wird es dunkel. Und wenn die Bedeckung zu Ende geht, passiert das gleiche noch einmal in umgekehrter Reihenfolge.

Die Bedeckungen der 1980er Jahren zeigten genau dieses Verhalten. Pluto musste eine dünne Atmosphäre habe aber über deren Zusammensetzung und andere Parameter wusste man noch nichts. Beobachtungen in den 1990er Jahren zeigten dann, dass es auch Stickstoffeis auf Pluto geben muss und damit neben Methan auch Stickstoff in der Atmosphäre. Man fand auch Hinweise auf gefrorenes Kohlenmonoxid. Im neuen Jahrtausend war man dann auch in der Lage, die Temperatur an der Oberfläche des Pluto genauer zu messen als bisher und fand, dass es dort -230 Grad kalt ist. Das ist ziemlich kalt und sogar noch ein wenig kälter als erwartet. Den Grund dafür vermutete man in der Sublimation von Stickstoffeis – dabei wird Energie verbraucht, die den Planeten zusätzlich kühlt.

Ab dem Jahr 2000 gab es auch viel mehr Sternbedeckungen zu beobachten, da sich Pluto auf seiner Bahn in die Gegend des Himmels bewegt hatte, in der sich auch die Milchstraße befindet. Dort gibt es jede Menge Sterne und die vielen Bedeckungen erweiterten das Wissen um die Atmosphäre des Pluto.

Bevor die Raumsonde New Horizons im Juli 2015 den Pluto erreichte, war also schon einiges über die Atmosphäre bekannt. Man wusste, dass es dort Stickstoff, Methan und Kohlenmonoxid geben muss. Aber sehr viele Details waren so unbekannt wie der Rest des Zwergplaneten. Wie groß ist der Anteil der einzelnen Gase? Wie dicht ist die Atmosphäre tatsächlich und wie groß ist der durchschnittliche Druck? Wie weit reicht die Atmosphäre über die Oberfläche hinauf? Wie stabil ist die Atmosphäre?

Besonders der letzte Punkt ist interessant. Denn Pluto braucht fast 248 Jahre um die Sonne einmal zu umrunden. Das tut er auf einer Bahn, die stark von einer Kreisbahn abweicht. Wenn er sich am sonnennächsten Punkt seiner Bahn befindet, dann ist er knapp 30 Mal weiter von ihr entfernt als die Erde. Am sonnenfernsten Punkt seiner Bahn ist die Entfernung aber 50 Mal größer als der mittlere Abstand zwischen Erde und Sonne! Das ist ein großer Unterschied und natürlich wirkt sich das auch auf die Temperatur aus.

Bei uns auf der Erde haben die unterschiedlichen Temperaturen in Sommer und Winter nichts mit dem Abstand zur Sonne zu tun. Tatsächlich ist die Erde sogar dann der Sonne am nächsten, wenn auf der Nordhalbkugel gerade Winter herrscht. Die Jahreszeiten werden durch die Neigung der Erdachse verursacht, die dafür sorgt, dass zu verschiedenen Zeiten im Jahr die Intensität der auf die Erde treffenden Sonnenstrahlung unterschiedlich groß ist und die Sonne unterschiedlich lang am Himmel zu sehen ist.

Auch Plutos Achse ist geneigt und das noch dazu sehr viel stärker als bei der Erde. Die Jahreszeiten sind also allein schon deswegen viel extremer. Außerdem spielt bei ihm aber eben auch der Abstand zur Sonne eine Rolle. Man ging also davon aus, dass es auf Pluto enorm kalt wird, wenn er sich von der Sonne entfernt. So kalt, dass die Gase der Atmosphäre ausfrieren, als Schnee auf die Oberfläche fallen und dort bleiben, bis der Himmelskörper sich wieder aufwärmt wenn er der Sonne nahe kommt.

Aber die Realität scheint viel komplexer zu sein. Das Zusammenspiel zwischen der Neigung der Achse und dem Abstand zur Sonne sorgt dafür, dass die unterschiedlichen Hemisphären sich unterschiedlich aufheizen und Gase ständig hin und her strömen. Die Bereiche, in denen Polarnächte bzw. Polartage herrschen, wo die Sonne also nie untergeht sind dort viel größer als auf der Erde. Wenn es auf Pluto also im Winter extra kalt ist, kann das Gas quasi auf die dauerhaft von der Sonne beleuchtete Hemisphäre ausweichen und dort “überwintern”. Das Methan in der Atmosphäre erzeugt einen Treibhauseffekt weswegen es in der oberen Atmosphäre – also in etwa 20 bis 40 Kilometer Höhe – ungefähr 50 Grad wärmer ist als auf der Oberfläche. Und die Atmosphäre verändert sich zwar im Laufe eines Pluto-Jahrs, bleibt aber immer bestehen.

All das weiß man, seit New Horizons den Zwergplaneten besucht hat – und noch viel mehr. Der atmosphärische Druck auf der Oberfläche liegt bei etwa einem Pascal, ist also 100.000 Mal geringer als auf der Erde. Stickstoff macht ihren Hauptbestandteil aus und Methan und Kohlenmonoxid findet man nur in geringen Mengen.
Die Atmosphäre verschwindet auch ständig ins All – bis zu 500 Kilogramm Stickstoff pro Sekunde verliert der Zwergplanet. Aber solange noch Eis auf Pluto zu finden ist, wird immer wieder neues Gas nachgeliefert.

New Horizons hat enorm viele Daten gesammelt und den faszinierenden Himmelskörper noch faszinierender gemacht. Allein die Art und Weise der Messung war spektakulär. An Bord der Raumsonde befand sich ein Empfänger für Radiosignale. Dieses Gerät hat entsprechende Signale von der Erde empfangen und zwar genau in dem Moment, als New Horizons sich hinter Pluto bewegte. Die Signale konnten also durch die Atmosphäre dringen und die Art und Weise wie sie abgeschwächt wurden ließ Rückschlüsse auf deren Zusammensetzung zu. Das klingt simpel, ist es aber nicht. Ganz und gar nicht! Die Raumsonde umkreiste Pluto nicht, sondern flog mit der enorm hohen Geschwindigkeit von 13,8 km/s an ihm vorbei. Es gab also nur einen Moment in dem die Messung möglich war und den musste man genau erwischen. Dazu kommt: Die Signale von der Erde brauchen aufgrund der großen Entfernung 5 Stunden, bis sie am Ziel ankommen. Man musste sie also schon losschicken, als die Sonde noch weit von dem Punkt entfernt war, an dem sie die Radiowellen empfangen sollte.

Aber das Manöver hat geklappt und auch die anderen Experimente an Bord von New Horizons haben genug Daten gesammelt. Darum wissen wir nun auch, dass der Himmel auf Pluto blau ist! Wenn Stickstoff und Methan in den äußeren Bereichen der Pluto-Atmosphäre von der hochenergetischen UV-Strahlung der Sonne getroffen werden, können die Moleküle auseinanderbrechen und die einzelnen Atome sich zu neuen Strukturen verbinden. Es entstehen sogenannte “Tholine”, also große organische Molküle. An ihnen kann das Licht der Sonne gestreut werden und da das für unterschiedliche Farben unterschiedlich stark passiert, bleibt eher bläuliches Licht übrig. Zusätzlich lagern sich andere Gase an den Tholinen an, die dann als eine Art Schnee auf die Oberfläche fallen, wo sie für die typische rötliche Färbung des Himmelskörpers verantwortlich sind.

Ein blauer Himmel über einer Landschaft aus rotem Schnee! Pluto ist wahrhaftig und weiterhin einer der faszinierendsten Himmelskörper in unserem Sonnensystem!

Pluto ist eine faszinierende Welt. Lange Zeit unter anderem deswegen, weil wir so wenig über den kleinen Himmelskörper gewusst haben. Aber je mehr wir über Pluto erfahren haben, desto faszinierender...