Während im Vereinigten Königreich warmes Herbstwetter herrschte, hat ein Team von Planetenforschern herausgefunden, dass Saturns Spätsommer im Norden einen Abkühlungstrend erlebt, da riesige Luftströme auf planetarischer Ebene mit dem Herannahen des Herbstes ihre Richtung umgekehrt haben.
Die neuen Beobachtungen haben auch einen letzten Blick auf den Nordpol des Saturn mit seinem riesigen, mit Kohlenwasserstoffgasen gefüllten warmen Wirbel ermöglicht, bevor der Pol beginnt, in die Dunkelheit des Polarwinters zu verschwinden.
Dieser interplanetare Wetterbericht ist neuen Bildern zu verdanken, die von einem Team unter Leitung der Universität Leicester vom JWST analysiert und veröffentlicht wurden Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Planeten. Sie haben neue Einblicke in den Wechsel der Jahreszeiten auf dem riesigen Außenplaneten geliefert, der für seine Eisringe berühmt ist.
Saturn hat wie die Erde eine axiale Neigung und erlebt die Jahreszeiten auf die gleiche Weise. Allerdings benötigt der Saturn für einen Umlauf um die Sonne 30 Jahre, die Jahreszeiten dauern also 7,5 Erdenjahre. Der Sommer auf der Nordhalbkugel geht nun auf beiden Welten zu Ende. Während die Erde im September auf die nördliche Herbst-Tagundnachtgleiche zusteuert, steuert Saturn im Jahr 2025 auf die nördliche Herbst-Tagundnachtgleiche zu, was bedeutet, dass die Nordpole beider Planeten auf längere Perioden des Polarwinters zusteuern.
Das Leicester-Team nutzte das MIRI-Instrument am JWST, um die Atmosphäre des Saturn im Infrarotlicht zu untersuchen, was es ihnen ermöglicht, die Temperaturen, die Gashäufigkeit und die Wolken von den aufgewühlten Wolkendecken bis zu Regionen hoch in der Atmosphäre, die als Stratosphäre bekannt sind, zu messen. Das MIRI-Instrument spaltet das Infrarotlicht in seine einzelnen Wellenlängen auf und ermöglicht es Wissenschaftlern, die Fingerabdrücke der vielfältigen Chemikalien in der Atmosphäre eines Planeten zu erkennen.
Auf dem Bild, das durch die Kombination nur einiger von MIRI beobachteter Wellenlängen erstellt wurde, fällt die helle thermische Emission des Nordpols in Blau auf. Am Nordpol ist der warme, 1500 km breite Nordpolarzyklon (NPC) zu sehen, der erstmals von der Cassini-Mission beobachtet wurde. Dies ist von einer größeren Region warmer Gase umgeben, die als nordpolarer Stratosphärenwirbel (NPSV) bezeichnet wird und sich im Saturnfrühling bildete und den gesamten nördlichen Sommer über anhielt.
Dabei handelt es sich um warme Wirbel hoch in der Stratosphäre, die während der langen Sommersaison des Saturn durch die Sonnenwärme erwärmt werden. Wenn sich die Herbst-Tagundnachtgleiche im Jahr 2025 nähert, beginnt sich der nordpolare Stratosphärenwirbel abzukühlen und verschwindet, während die nördliche Hemisphäre in die Dunkelheit des Herbstes zurückweicht.
Durch die Modellierung der Spektren im mittleren Infrarot stellten die Wissenschaftler fest, dass sich die Verteilungen der stratosphärischen Temperaturen und Gase an diesem bestimmten Punkt im saisonalen Zyklus des Saturn deutlich von denen unterschieden, die von der Cassini-Mission im nördlichen Winter und Frühling beobachtet wurden.
Saturn hat ein großräumiges stratosphärisches Zirkulationsmuster mit wärmeren Temperaturen und überschüssigen Kohlenwasserstoffen wie Ethan und Acetylen in den nördlichen mittleren Breiten im Winter, was darauf hindeutet, dass kohlenwasserstoffreiche Luft von oben herabsinkt. Es wurde angenommen, dass die Luft in den südlichen mittleren Breiten im Sommer aufsteigt, den Äquator überquert und in den nördlichen mittleren Breiten im Winter absinkt.
Die Ergebnisse des mittelauflösenden MIRI-Spektrometers vom November 2022 zeigten, dass sich diese stratosphärische Zirkulation nun umgekehrt hat und im Norden zwischen 10oN und 40oN kühle stratosphärische Temperaturen und geringe Kohlenwasserstoffvorkommen zu beobachten sind, was auf ein Aufsteigen von kohlenwasserstoffarmer Luft im Sommer hindeutet, was der Fall sein wird dann in Richtung Süden fließen.
Professor Leigh Fletcher von der University of Leicester School of Physics and Astronomy sagte: „Die Qualität der neuen Daten von JWST ist einfach atemberaubend – in einer kurzen Reihe von Beobachtungen konnten wir das Erbe des JWST fortführen.“ Cassini-Mission führt in eine völlig neue Saturn-Saison und beobachtet, wie die Wettermuster und die atmosphärische Zirkulation auf das sich ändernde Sonnenlicht reagieren.
„JWST kann Wellenlängen des Lichts sehen, die für keine andere Raumsonde zuvor zugänglich waren, und erzeugt so einen exquisiten Datensatz, der Lust auf die kommenden Jahre macht. Diese Arbeit am Saturn ist nur die erste eines Programms zur Beobachtung aller vier Riesenplaneten JWST bietet eine Fähigkeit, die über alles hinausgeht, was wir in der Vergangenheit hatten – wenn wir aus einer einzigen Beobachtung einer einzigen Welt so viele neue Erkenntnisse gewinnen können, stellen Sie sich vor, welche Entdeckungen uns erwarten?“
Saturn wurde als frühes Ziel für JWST ausgewählt, um seine Fähigkeiten zu testen. Dr. Oliver King, ein Postdoktorand an der School of Physics and Astronomy in Leicester, erklärte: „Weil es groß, hell, rotierend und über den Himmel bewegt, stellt es eine Herausforderung für die kleinen Sichtfelder des MIRI-Instruments dar.“ „MIRI kann jeweils nur einen kleinen Bereich des Saturn sehen, und wir laufen Gefahr, die Detektoren zu überlasten, weil der Planet im Vergleich zu den üblichen Zielen von JWST so hell ist.“
„Die Beobachtungen wurden in drei Kacheln aufgenommen, vom Äquator zum Nordpol und dann zu den Ringen für eine letzte Kachel.“
Professor Fletcher fügt hinzu: „Wir haben vor mehr als acht Jahren mit der Planung dieser Saturnbeobachtungen begonnen. Als die ersten Daten Ende 2022 eintrafen, war dies sicherlich ein Karrierehöhepunkt: Das Leicester-Team von Planetenwissenschaftlern drängte sich um einen Computerbildschirm und war erstaunt über die Qualität.“ der neuen Daten und vielleicht ein Glas Sekt zum Feiern.
„Ohne das breitere Expertenteam, das zum Saturn-Programm beigetragen hat, wäre es nicht möglich gewesen, insbesondere die Leute vom Weltraumteleskop, die sich mit unseren endlosen Fragen und Problemen abgefunden haben, während wir uns mit allen Herausforderungen eines brandneuen Teleskops befassten.“
„Noch nie zuvor war ein Raumschiff zur Erkundung des nördlichen Spätsommers und Herbstes des Saturn anwesend, daher hoffen wir, dass dies nur der Ausgangspunkt ist und dass JWST das Erbe von Cassini im kommenden Jahrzehnt fortführen kann.“
Mehr Informationen:
Leigh N. Fletcher et al., Saturns Atmosphäre im Nordsommer enthüllt von JWST/MIRI, Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Planeten (2023). DOI: 10.1029/2023JE007924