Hervorhebung der Fortschritte in der Planetenwissenschaft in den letzten 20 Jahren

Bis Dezember 2021 wurden weltweit insgesamt 252 Planetensonden gestartet.

In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Raumfahrt: Wissenschaft & TechnologieYixin Sun und Kollegen besprechen einige Fortschritte in der Planetenwissenschaft, die durch diese Missionen in den letzten Jahren erzielt wurden.

1. Forschungsfortschritte bei den terrestrischen Planeten Merkur

Merkur ist der sonnennächste Planet und in Bezug auf Volumen und Masse der kleinste Planet in unserem Sonnensystem. Es hat eine ähnliche innere Struktur wie die Erde, mit einer Kruste, einem Mantel und einem Kern. Die Dichte von Quecksilber wird zu etwa 5,4 g/cm3 abgeleitet. Die hohe Dichte deutet darauf hin, dass Quecksilber zu einem großen Teil aus metallischen Elementen wie Eisen und Aluminium besteht. Viele Grate und Fetzen auf Merkur weisen darauf hin, dass es möglicherweise globale Kontraktionen im Inneren des Merkur gegeben hat. Einer der bekanntesten Scraps ist Carnegie Rupes.

Über seiner Oberfläche hält Merkur aufgrund seiner schwachen Schwerkraft und hohen Temperatur eine extrem dünne Atmosphäre. Bodengestützte optische Messungen zeigen, dass diese Atmosphäre aus Natrium (Na), Magnesium (Mg), Sauerstoff (O) und anderen Elementen besteht. Einige dieser Elemente zeigen eine kometenartige räumliche Verteilung. Die Exosphäre enthält nicht nur neutrale Atome, sondern auch viele schwere Ionen, darunter Natrium-, Sauerstoff- und Magnesiumionen.

Die Vorbeiflugbeobachtungen von Mariner 10 in den 1970er Jahren weisen darauf hin, dass Merkur möglicherweise ein globales intrinsisches Magnetfeld an seiner Oberfläche aufweist, das etwa 1 % des Magnetfelds an der Erdoberfläche ausmacht. Das Magnetfeld bildet in Wechselwirkung mit dem Sonnenwind eine Magnetosphäre.

Das jüngste zukünftige Erkundungsprogramm des Merkur ist die Mission BepiColombo, die gemeinsam von der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) und der European Space Agency (ESA) entwickelt wurde. Es wurde am 20. Oktober 2018 gestartet und soll am 5. November 2025 beginnen, Merkur zu umkreisen. Diese Mission wird die Entstehung, Entwicklung, geologische Geschichte, Exosphäre und Magnetosphäre des Merkur untersuchen und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie verifizieren.

Venus

Die innere Struktur der Venus bleibt aufgrund fehlender seismologischer und Trägheitsmessungen unbekannt. In Anbetracht seiner Ähnlichkeit mit der Erde in Dichte und Radius wird angenommen, dass es eine innere Struktur ähnlich der der Erde hat. Auf der Oberfläche der Venus gibt es viele Vulkane, die der Hauptweg für die Venus sein könnten, um innere Wärme freizusetzen. Bei den Infrarotbeobachtungen mit Venus Express wurden mehrere Hotspots entdeckt, die wahrscheinlich von Magma bedeckt sind, das nicht vollständig abgekühlt ist, was auf jüngsten Vulkanismus hinweist.

Die Venus hat die dichteste Atmosphäre unter den 4 terrestrischen Planeten im Sonnensystem und ihr atmosphärischer Druck beträgt bis zu 92 bar. Die Hauptbestandteile der Atmosphäre sind Kohlendioxid (ca. 96,5 %) und molekularer Stickstoff (ca. 3,5 %). Die dichte Atmosphäre der Venus zirkuliert mit einer Geschwindigkeit, die noch schneller ist als ihre Rotationsgeschwindigkeit.

Horinouchi et al. verglichen die Beiträge thermischer Gezeiten, Rossby-Wellen usw. zur Aufrechterhaltung der Superrotation, wobei berücksichtigt wurde, dass thermische Gezeiten der vorherrschende Beitrag des atmosphärischen Drehimpulses sind. Während des ersten Vorbeiflugs von Venus Express wird in der Polarregion der Venus ein doppeläugiger atmosphärischer Wirbel beobachtet, der eine klare zeitliche Entwicklung und eine komplexe Morphologie aufweist.

Obwohl die Venus kein intrinsisches Dipol-Magnetfeld hat, kann die dichte Atmosphäre auch verhindern, dass der Sonnenwind ihre Oberfläche erodiert. Die photoionisierten Bestandteile der Atmosphäre bilden eine Ionosphäre, und ihre Wechselwirkung mit dem Sonnenwind erzeugt ionosphärische elektrische Ströme, die ein ausreichendes Magnetfeld induzieren.

Zu den zukünftigen Missionen zur Venus gehören hauptsächlich FLAGSHIP 2020, DAVINCI und VERITAS 2030 der US National Aeronautics and Space Administration (NASA); Shukrayaan-1 2024 der Indian Space Research Organization; Russisch Venera-D 2029; und Envision der ESA.

Mars

InSight hat über 700 Marsbeben auf dem Mars entdeckt. Eine seismologische Analyse legt nahe, dass der Mars eine ähnliche innere Struktur wie die Erde hat.

Mars hat eine Atmosphäre, die viel dünner ist als die der Erde und der Venus, und sein durchschnittlicher atmosphärischer Druck beträgt nur weniger als 1 % des der Erde. Die Hauptbestandteile der Atmosphäre sind Kohlendioxid (95,3 %), Stickstoff (2,7 %) und Argon (1,6 %) sowie Methan und Wasser. Geologische Beweise deuten darauf hin, dass der Mars in der Vergangenheit möglicherweise eine dichte Atmosphäre und Oberflächenwasser hatte und neben der Erde der potenziell bewohnbarste Planet ist.

Globale, intensive und lang anhaltende Staubsturmaktivitäten sind eines der Schlüsselmerkmale der Marsatmosphäre, die auch den atmosphärischen Verlust beeinflussen. Ein kürzlich aufgetretener globaler Staubsturm im Jahr 2018 wurde von der Kamera an Bord des Mars Reconnaissance Orbiter eindeutig eingefangen.

Wie die Venus hat der Mars kein intrinsisches Magnetfeld. Das Magnetfeld auf dem Mars wird hauptsächlich durch Gesteinsremanenz und auch durch das ionosphärische elektrische Stromsystem beigetragen.

Tianwen-1, Chinas erste Mission zum Mars. Es zielt hauptsächlich darauf ab, die Marsatmosphäre, die Ionosphäre, die Magnetosphäre und ihre dynamischen Prozesse mit einem vollständigen Satz wissenschaftlicher Nutzlasten zu untersuchen. In den nächsten zehn Jahren gibt es mehrere andere Mars-Erkundungsmissionen, darunter die Mission ExoMars (2022) der ESA und der russischen Föderalen Weltraumagentur (Roscosmos) und das Programm Martian Moons eXploration (MMX) der JAXA.

2. Forschungsfortschritte bei den Jupiter-Planeten

Jupiter ist ein Gasriesenplanet mit der fünftgrößten Entfernung (von nah bis fern) von der Sonne und auch der größte Planet im Sonnensystem. Die Hauptbestandteile von Jupiter sind Wasserstoff und Helium, und seine innere Struktur ist noch nicht schlüssig. Aufgrund seiner schnellen Rotation (Umlaufzeit von etwa 9,9 h) ist Jupiter ellipsenförmig mit einem langgestreckten Äquator. Es hat extrem reiche atmosphärische Aktivitäten und ein extrem starkes intrinsisches Magnetfeld.

Durch die Messungen des Doppler-Effekts bei Radiosendungen können Junos Messungen das Schwerefeld genau bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass Jupiter ein asymmetrisches Nord-Süd-Schwerefeld hat, das der atmosphärischen und internen Strömung zugeschrieben wird. Der atmosphärische Zonenwind könnte bis zu 3.000 km tief sein.

Mit den Messungen von Juno wird aus Vektormagnetfeldbeobachtungen ein neues sphärisches harmonisches Modell (JRM09) des Magnetfelds von Jupiter gewonnen. Das Modell beschreibt das Eigenmagnetfeld des Planeten viel besser als zuvor und zeigt deutlich die Nord-Süd-Asymmetrie, insbesondere die Anomalie am Nordpol.

Wasser auf Jupiter liegt hauptsächlich in Form von Wolken unter den Wolken von Ammoniak (NH3) und Ammoniumhydrogensulfid (NH4SH) vor.

Junos Messungen zeigen, dass die Atmosphäre sehr komplex ist. In niedrigen Breiten handelt es sich hauptsächlich um einen axialsymmetrischen zonalen Wolkengürtel, während er sich in hohen Breiten in Zyklone verwandelt. Auf der Nordhalbkugel ist ein polarer Wirbelsturm von 8 kleinen Wirbelstürmen umgeben, während es auf der Südhalbkugel 5 kleine Wirbelstürme gibt.

Der Große Rote Fleck ist ein Markenzeichen von Jupiter und wurde vor Hunderten von Jahren entdeckt. Er hat keine statische Form und ist seit 1879 stark geschrumpft. Während der Beobachtung von Juno wurde der Große Rote Fleck auch von mehreren Antizyklonen erodiert, was seine Fläche verringerte und seine innere Rotationsgeschwindigkeit erhöhte.

Bislang zielen die Missionen zur Erforschung des Jupiter-Systems hauptsächlich auf Jupitermonde. Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) erkennt 3 eisige galiläische Monde: Ganymed, Callisto und Europa. Die NASA hat auch ihre Erkundungsmission Europa Clipper, die die Bewohnbarkeit Europas untersuchen und einen Ort für eine mögliche Landemission auswählen wird.

Saturn

Saturn ist der sechste Planet in Bezug auf die Entfernung zur Sonne, und sein Volumen wird nur von Jupiter übertroffen. Es besteht hauptsächlich aus Wasserstoff mit einer kleinen Menge Helium und anderen Elementen. Die Stärke des planetarischen Magnetfelds von Saturn liegt zwischen der von Erde und Jupiter.

Die Eigenschwingung des inneren Saturnkerns kann Störungen im umgebenden Gravitationsfeld verursachen. Daher wird die Dichte der Saturnringe nicht nur von den Monden beeinflusst, sondern auch von Änderungen in Saturns eigenem Gravitationsfeld.

Die Cassini-Messungen zeigen, dass die kilometrischen Saturnstrahlungsperioden der südlichen und der nördlichen Hemisphäre des Saturn einen geringfügigen Unterschied von etwa 10 Minuten aufweisen und sich die Perioden mit der Zeit ändern.

Angesichts der perfekten Koinzidenz von Saturns Magnet- und Spinachse unterscheidet sich der damit verbundene Mechanismus von denen von Jupiter und Erde mit geneigten Magnetachsen, die um ihre jeweiligen Spinachsen rotieren und daher gleichzeitig Magnetosphären wackeln.

Eine sechseckige Struktur am Nordpol des Saturn wurde erstmals 1981 von Voyager entdeckt. Zwischen 2012 und 2016 fand Cassini heraus, dass sich die Farbe des Sechsecks von bläulich zu golden änderte, möglicherweise aufgrund einer Variation der atmosphärischen Zusammensetzung, die durch jahreszeitliche Veränderungen verursacht wurde.

Die Ringe befinden sich auf der Äquatorebene von Saturn und sind nur 5 m dick. Sie bestehen hauptsächlich aus Wassereis, das durch Kontamination durch Meteoriteneinschläge verfärbt sein kann.

Die Magnetosphären der Riesenplaneten weisen im Vergleich zur vom Sonnenwind angetriebenen Magnetosphäre der Erde einen anderen dynamischen Konvektionsmodus auf. Für die schnell rotierenden Magnetosphären mit zahlreichen internen Plasmaquellen, wie der Jupiter- und Saturn-Magnetosphäre. Die Zentrifugalkraft dominiert die Dynamik der Magnetosphäre und bildet den Vasyliunas-Zyklus.

Saturn hat die meisten Monde (82 Monde), die unter den 8 Planeten im Sonnensystem bestätigt wurden. Titan ist der größte Mond im Saturnsystem und der zweitgrößte Mond im Sonnensystem. Eine Mission, die für die Erforschung des Saturn-Systems bestimmt ist, ist Dragonfly der NASA, die darauf abzielt, auf Titan zu landen, um nach umweltbedingten und chemischen Veränderungen zu suchen, die für das biologische Überleben geeignet sind.

3. Forschungsfortschritte bei Asteroiden

Japans Hayabusa-1 wurde 2003 gestartet. Dieser Start schickte die Hayabusa-Sonde zum erdnahen Asteroiden vom Typ S 25143 Itokawa und sammelte Asteroidenproben (mindestens 1.534 Körner), die im November 2010 zur Erde zurückgebracht wurden.

Nach der erfolgreichen Probenrückgabe von Hayabusa-1 startete Japan im Dezember 2014 Hayabusa-2, um Proben zu sammeln und Impaktexperimente auf dem C-Typ-Asteroiden Ryugu durchzuführen. Hayabusa-2 hat erfolgreich eine 5,4-g-Probe gesammelt und sie im Dezember 2020 zur Erde zurückgebracht. Seine genaue Erkundung von Ryugu hat ebenfalls wichtige Ergebnisse geliefert.

Es wurde festgestellt, dass die Oberfläche von Ryugu mit einer großen Anzahl von Felsbrocken bedeckt ist und nicht mit zentimetergroßen Partikeln, die zuvor durch teleskopische thermische Infrarotbeobachtungen vermutet wurden. Diese Felsbrocken besitzen eine geringe Zugfestigkeit, die beim Eintritt in die Erdatmosphäre anfälliger für Zerstörung ist, und erklärt, warum nur wenige mit Asteroiden assoziierte Meteoriten der C-Klasse auf der Erde gefunden werden.

Die US-Sonde OSIRIS-REx soll den erdnahen Asteroiden Bennu untersuchen. Es hat im Oktober 2020 erfolgreich Proben auf Bennu erhalten und wird sie voraussichtlich 2023 zur Erde zurückbringen. Diese Mission wird unser Verständnis der physikalisch-chemischen Eigenschaften, der Orbitaldynamik und der thermischen Eigenschaften der oberflächennahen Zusammensetzung von kohlenstoffhaltigen Asteroiden dramatisch verbessern.

Bennu hat eine sehr raue Oberfläche mit einer ungleichmäßigen Verteilung von Felsbrocken unterschiedlicher Größe. Dieses Ergebnis verändert das Verständnis ihrer verwitterten Oberflächen. Es erfordert die Bewertung der Oberflächeneigenschaften von Asteroiden, die durch bodengestützte Beobachtungen mit Methoden der thermischen Analyse und des Radarpolarisationsverhältnisses erhalten wurden.

Darüber hinaus stellt der Autor kurz die Ergebnisse des Kometen 67P in Bezug auf die Form des Kometenkerns, den Wasser- und organischen Gehalt sowie die Gasproduktionsrate vor und macht einige Kommentare und Vorschläge zu den Detektionszielen und Detektionsformaten für zukünftige Asteroidenmissionen.