Swinging Saturn

Die Stratosphäre des Planeten Saturn oszilliert in der Äquatorzone in einem 15-jährigen Rhythmus. Das zeigen jetzt in "Nature" veröffentlichte Messungen über einen Zeitraum von 22 Jahren mit dem Infrarot-Teleskop IRTF auf Hawaii. Das Phänomen ähnelt ähnlichen Schwingungen der Stratosphären Jupiters und der Erde. Ebenfalls in "Nature" veröffentlichte Daten der Raumsonde Cassini zeigen zudem, wie sich die Temperaturschichtung in der Saturn-Stratosphäre während der Oszillation ändert.

"Die mittleren Atmosphären von Planeten werden von einer Kombination aus Aufheizung und Kühlung durch Strahlung, meridionale Strömungen und sich vertikal ausbreitenden Wellen angetrieben", erläutern Thierry Fouchet vom Observatoire de Paris und seine Kollegen. "Es ist sehr schwierig, all diese Effekte zu modellieren. Deshalb sind Beobachtungen essentiell, um unser Wissen über die Atmosphären zu verbessern." Fouchet und sein Team nutzten das Infrarot-Spektrometer von Cassini, um thermische Spektren des Saturnrands und damit der vertikalen Schichtung der Saturnatmosphäre zu erhalten.

Abb.: Zwei Infrarot-Aufnahmen des Saturn. Links ist es am Äquator kälter als in den mittleren Breiten, rechts ist es umgekehrt.
(Quelle: JPL/Nasa)

Die Messungen zeigen einen deutlichen Unterschied zwischen mittleren Breiten und der Äquatorregion. Während nämlich in mittleren Breiten die Temperatur stetig mit der Höhe ansteigt, oszilliert sie in der Äquatorregion. Wärmere und kühlere Schichten wechseln sich also ab, wobei die Amplitude der Temperaturunterschiede unmittelbar über dem Äquator am größten ist. Die Temperaturunterschiede führen dazu, dass auch die Windrichtungen von Schicht zu Schicht wechseln.

Die Struktur der Temperaturschichtung und der abwechselnd in östlicher und westlicher Richtung wehenden Winde ähnelt der quasi-biennialen Oszillation auf der Erde, sowie einem ähnlichen Phänomen in der Atmosphäre Jupiters, der so genannten quasi-quadrennialen Oszillation. In beiden Fällen wandern die vertikalen Strukturen, also die Temperaturschichten und die damit verbundenen Winde, nach unten. Die Windrichtungen in einer bestimmten Höhe oszillieren dadurch in einen festen Rhythmus, alle 22 bis 34 Monate auf der Erde, im Mittel alle 4,4 Jahre auf Jupiter.

Diesen Effekt zeigen auch die Messungen der stratosphärischen Temperatur der Saturnatmosphäre, die Glenn Orton vom Jet Propulsion Laboratory und sein Team mit der Infrared Telescope Facility der Nasa durchgeführt haben. Die Forscher konzentrierten sich bei ihren Beobachtungen auf die Emission von Methan und Ethan, die besonders empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert. Die Messdaten zeigen eine deutliche Oszillation mit einer Periode von 14,8 Jahren.

Diese Periode entspricht etwa der Hälfte der Umlaufzeit des Saturn um die Sonne - rund 29,5 Jahre - und deutet deshalb darauf hin, dass jahreszeitliche Effekte die Oszillation beeinflussen. Damit würde die Oszillation der Saturn-Stratosphäre allerdings weniger der quasi-biennalen als der halbjährlichen Oszillation der irdischen Stratosphäre ähneln, die durch die unterschiedliche Aufheizung des antarktischen Eisschilds und des ihn umgebenden Ozeans angetrieben wird. In einem begleitenden "News & Views"-Artikel in "Nature" äußert Timothy Dowling von der University of Louisville den Verdacht, dass beim Saturn der Schatten des Ringsystems als Antrieb der Oszillation dienen könnte.

Rainer Kayser

Weitere Infos:

• Originalarbeiten:
  "An equatorial oscillation in Saturn's middle atmosphere", T. Fouchet et al, Nature 453, 200 (2008)
  "Semi-annual oscillations in Saturn's low-latitude stratospheric temperature", G. S. Orton et al., Nature 453, 196 (2008)
  

• News & Views-Artikel:
  "Music of the stratospheres", T. E. Dowling, Nature 453, 163 (2008)
  

• weitere Arbeiten:
  "The quasi-biennial oscillation.", M. Baldwin et al., Review of Geophysics 39, 179 (2001)
  "The quasiquadrennial oscillation of Jupiter’s equatorial stratosphere." C. B. Leovy, A. J. Friedson und G. S. Orton, Nature 354, 380 (1991)
  "Temperature and circulation in the stratosphere of the outer planets", B. J. Conrath, P. J. Gierasch und S. S. Leroy, Icarus 83, 255 (1990)
  

• Links:
  

• Observatoire de Paris:
  http://www.obspm.fr/
• Jet Propulsion Laboratory:
  http://www.jpl.nasa.gov/index.cfm
• Infrared Telescope Facility:
  http://irtfweb.ifa.hawaii.edu/
• Cassini:
  http://saturn.jpl.nasa.gov/home/index.cfm