Bunt schillernd tanzen sie über den Himmel. Polarlichter sind Effekte von Sonnenwinden – Wogen aus elektrisch geladenen Teilchen, die nicht nur über unseren Planeten ziehen. Die Teilchen flitzen durch den Weltraum und erreichen selbst den Uranus, der im Mittel etwa 2,9 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt seine Bahnen zieht. Sein verschrobenes Magnetfeld lässt die Teilchen auf verschlungenen Wegen durch die Atmosphäre jagen. Wie die Energie durch seine Sphären strömt und wo genau auf dem Uranus die Polarlichter glühen, lässt sich nun besser ergründen. Erstmals haben Physiker und Physikerinnen eine 3D-Karte erstellt, die die obere Atmosphäre des Uranus abbildet.
Aus Hunderten Milliarden Kilometern Entfernung untersuchte das Team der englischen Northumbria University, angeführt von der Doktorandin Paola Tiranti, den Uranus mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops. Rund 15 Stunden lang beobachteten sie ihn – so lange braucht der Planet in etwa, um einmal um seine eigene Achse zu rotieren. Mit seinem Nahinfrarot-Spektrografen detektierte das Teleskop Infrarotstrahlung, die Ionen in der Atmosphäre des Eisplaneten emittierten. Daraus leiteten die Forschenden die Temperaturen und Ionendichten in allen drei Dimensionen der Atmosphäre ab und stellten sie zu einer Karte zusammen. Die Erkenntnisse erschienen in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters.
Wie das Magnetfeld Polarlichter fängt
Die Schicht, in der die Atmosphäre mit dem Magnetfeld eines Planeten interagiert, wird als „Ionosphäre“ bezeichnet. Dort, in bis zu 5.000 Kilometern über den Wolken des Uranus, werden die energiegeladenen Teilchen der Sonnenwinde vom Magnetfeld eingefangen und zu den Polen geleitet. Sie kollidieren mit neutralen Gasen und übertragen ihre Energie auf sie. Die Energie der Kollision gibt das Gas in Form von Strahlung wieder ab, die wir als Polarlicht, auch "Aurora" genannt, wahrnehmen. Weil das Magnetfeld des Uranus weitaus komplexer ist als jenes auf der Erde, tanzen die Polarlichter auf dem Eisplaneten entsprechend ungewöhnlicher.
Auf der Erde liegt die Achse des Magnetfeldes beinahe identisch zur Rotationsachse des Planeten. Die beiden Achsen sind nur um 11 Grad gekippt, der geografische und der magnetische Nordpol liegen also nahe beieinander. Dass Magnete auf der Erde in Richtung des geografischen Pols zeigen, also zum nördlichsten Punkt, ist ein – durchaus praktischer – Zufall.
Dass dies keine Selbstverständlichkeit ist, zeigt von allen Planeten des Sonnensystems besonders eindrücklich der Uranus. Sein Magnetfeld entspricht annähernd einem Quadrupol, besitzt also statt zwei Polen gleich vier. Die magnetische Hauptachse des Uranus ist um fast 60 Grad geneigt, einer der magnetische Pole liegt daher vergleichsweise nah am Äquator. Die Polarlichter leuchten also auf dem Uranus, als würden sie, auf die Erde übertragen, von Kairo ihren Ausgang nehmen.
Zudem liegen der stärkste magnetische Nord- und der stärkste magnetische Südpol nicht genau auf gegenüberliegenden Orten des Planeten, sondern näher beisammen, weswegen die eine Seite des Planeten weitaus stärkere Magnetfelder und damit auch Polarlichter aufweist als die Gegenseite.
Unerwartete Wärme auf dem eisigen Planten
Die neue 3D-Karte offenbart außerdem, wie sich Energie innerhalb der Atmosphäre verteilt. In seinem Inneren ist der Uranus ein kalter und windiger Eisriese. Die Sonne ist so weit weg, dass sie ihn kaum erwärmen kann. Dennoch haben Forschende schon früher beobachtet, dass der Uranus, wie auch seine Geschwister Jupiter und Saturn, in seiner Hülle wärmer ist als erwartet. Laut der neuen Messung herrscht in der Atmosphäre eine Durchschnittstemperatur von etwa 150 Grad Celsius, wobei die Temperatur in 3000 bis 4000 Kilometern über der Wolkendecke am höchsten ist. Anders als bislang vermutet, kann die Wärme nicht allein durch Teilchenkollisionen in den oberen Schichten erklärt werden, denn die neuen Daten zeigen, dass die Dichte in der Atmosphäre deutlich geringer ist als bislang angenommen.
Gleichzeitig beobachteten Forschende schon länger, dass der Uranus an Wärme verliert. Die aktuelle Messung bestätigt den Trend: Die Temperatur hat einen neuen Tiefpunkt erreicht.
Die neue 3D-Karte, so die Hoffnung der Forschenden, soll helfen, diese Mysterien des Uranus zu lösen. Sie soll weitergehende Studien anstoßen, die die Energieprozesse auf dem Planeten erhellen und das Zusammenspiel der Atmosphäre mit der Weltraumumgebung aufklären. Damit der seltsame Eisplanet ein klein wenig weniger seltsam erscheint.
