Sonnenzyklus hängt mit Neptuns verschwindenden Wolken zusammen

Astronomen haben einen Zusammenhang zwischen der sich verändernden Wolkenhäufigkeit von Neptun und dem 11-jährigen Sonnenzyklus entdeckt, in dem das Zu- und Abnehmen der verschlungenen Magnetfelder der Sonne die Sonnenaktivität antreibt.

Diese Entdeckung basiert auf drei Jahrzehnten Neptun-Beobachtungen, die vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA und dem WM-Keck-Observatorium in Hawaii erfasst wurden, sowie auf Daten des Lick-Observatoriums in Kalifornien.

Der Zusammenhang zwischen Neptun und Sonnenaktivität ist für Planetenforscher überraschend, da Neptun der am weitesten entfernte große Planet unseres Sonnensystems ist und Sonnenlicht mit etwa 0,1 % der Intensität empfängt, die die Erde empfängt. Doch das weltweite wolkige Wetter auf Neptun scheint durch die Sonnenaktivität bedingt zu sein und nicht durch die vier Jahreszeiten des Planeten, die jeweils etwa 40 Jahre dauern.

Derzeit ist die Wolkendecke auf Neptun extrem gering, mit Ausnahme einiger Wolken, die über dem Südpol des Riesenplaneten schweben. Ein von der University of California (UC) Berkeley geleitetes Astronomenteam entdeckte, dass die Wolkenfülle, die normalerweise in den mittleren Breiten des Eisriesen zu sehen ist, im Jahr 2019 zu schwinden begann.

„Ich war überrascht, wie schnell die Wolken auf Neptun verschwanden“, sagte Imke de Pater, emeritierte Professorin für Astronomie an der UC Berkeley und leitende Autorin der Studie. „Wir sahen im Wesentlichen einen Rückgang der Wolkenaktivität innerhalb weniger Monate“, sagte sie.

„Selbst jetzt, vier Jahre später, zeigen die jüngsten Bilder, die wir im vergangenen Juni aufgenommen haben, immer noch, dass die Wolken nicht wieder ihr früheres Niveau erreicht haben“, sagte Erandi Chavez, ein Doktorand am Center for Astrophysics | Harvard-Smithsonian (CfA) in Cambridge, Massachusetts, die die Studie leitete, als sie Astronomiestudentin an der UC Berkeley war. „Das ist äußerst aufregend und unerwartet, insbesondere da Neptuns vorherige Periode geringer Wolkenaktivität bei weitem nicht so dramatisch und langanhaltend war.“

Um die Entwicklung des Aussehens von Neptun zu überwachen, analysierten Chavez und ihr Team Bilder des Keck-Observatoriums aus den Jahren 2002 bis 2022, Archivbeobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops ab 1994 und Daten des Lick-Observatoriums in Kalifornien aus den Jahren 2018 bis 2019.

In den letzten Jahren wurden die Keck-Beobachtungen durch Bilder ergänzt, die im Rahmen des Twilight Zone-Programms und des Outer Planet Atmospheres Legacy (OPAL)-Programms von Hubble aufgenommen wurden.

Die Bilder zeigen ein faszinierendes Muster zwischen jahreszeitlichen Veränderungen in der Wolkendecke des Neptun und dem Sonnenzyklus – dem Zeitraum, in dem sich das Magnetfeld der Sonne alle 11 Jahre umdreht, während es sich wie ein Wollknäuel mehr verwickelt. Dies zeigt sich in der zunehmenden Anzahl von Sonnenflecken und der zunehmenden Aktivität von Sonneneruptionen. Mit fortschreitendem Zyklus steigert sich das stürmische Verhalten der Sonne auf ein Maximum, bis das Magnetfeld nachlässt und die Polarität umkehrt. Dann sinkt die Sonne wieder auf ein Minimum, nur um einen weiteren Zyklus zu beginnen.

Wenn es auf der Sonne stürmisch ist, überflutet intensivere ultraviolette (UV) Strahlung das Sonnensystem. Das Team fand heraus, dass zwei Jahre nach dem Höhepunkt des Sonnenzyklus immer mehr Wolken auf Neptun erscheinen. Das Team fand außerdem einen positiven Zusammenhang zwischen der Anzahl der Wolken und der Helligkeit des Eisriesen durch das von ihm reflektierte Sonnenlicht.

„Diese bemerkenswerten Daten liefern uns den bisher stärksten Beweis dafür, dass die Wolkendecke von Neptun mit dem Sonnenzyklus korreliert“, sagte de Pater. „Unsere Ergebnisse stützen die Theorie, dass die UV-Strahlen der Sonne, wenn sie stark genug sind, möglicherweise eine photochemische Reaktion auslösen, die Neptunwolken erzeugt.“

Wissenschaftler entdeckten den Zusammenhang zwischen dem Sonnenzyklus und Neptuns bewölktem Wettermuster, indem sie 2,5 Zyklen der Wolkenaktivität untersuchten, die über den 29-jährigen Zeitraum der Neptun-Beobachtungen aufgezeichnet wurden. Während dieser Zeit nahm das Reflexionsvermögen des Planeten im Jahr 2002 zu und nahm dann im Jahr 2007 ab. Neptun wurde im Jahr 2015 wieder hell und verdunkelte sich dann im Jahr 2020 auf den niedrigsten jemals beobachteten Wert, als die meisten Wolken verschwanden.

Die durch die Sonne verursachten Veränderungen in der Helligkeit von Neptun scheinen relativ synchron mit dem Kommen und Gehen der Wolken auf dem Planeten zu steigen und zu fallen. Zwischen dem Höhepunkt des Sonnenzyklus und der Wolkenfülle auf Neptun liegt jedoch eine Zeitverzögerung von zwei Jahren. Die chemischen Veränderungen werden durch Photochemie verursacht, die hoch in der oberen Neptunatmosphäre stattfindet und Zeit braucht, um Wolken zu bilden.

„Es ist faszinierend, Teleskope auf der Erde nutzen zu können, um das Klima einer Welt zu untersuchen, die mehr als 2,5 Milliarden Meilen von uns entfernt ist“, sagte Carlos Alvarez, Astronom am Keck-Observatorium und Mitautor der Studie. „Fortschritte in Technologie und Beobachtungen haben es uns ermöglicht, Neptuns Atmosphärenmodelle einzuschränken, die für das Verständnis der Korrelation zwischen dem Klima des Eisriesen und dem Sonnenzyklus von entscheidender Bedeutung sind.“

Allerdings ist noch mehr Arbeit nötig. Beispielsweise könnte eine Zunahme des UV-Sonnenlichts zwar mehr Wolken und Dunst erzeugen, diese aber auch verdunkeln und dadurch die Gesamthelligkeit von Neptun verringern. Stürme auf Neptun, die aus der tiefen Atmosphäre aufsteigen, wirken sich auf die Wolkendecke aus, stehen jedoch nicht im Zusammenhang mit photochemisch erzeugten Wolken und können daher Korrelationsstudien mit dem Sonnenzyklus erschweren. Es sind auch weitere Beobachtungen von Neptun erforderlich, um zu sehen, wie lange die derzeitige nahezu völlige Wolkenlosigkeit anhalten wird.

Das Forschungsteam verfolgt weiterhin die Wolkenaktivität von Neptun. „Wir haben in den jüngsten Keck-Bildern, die zur gleichen Zeit aufgenommen wurden, als das James Webb-Weltraumteleskop der NASA den Planeten beobachtete, mehr Wolken gesehen; diese Wolken waren insbesondere in nördlichen Breiten und in großen Höhen zu sehen, wie aufgrund des beobachteten Anstiegs zu erwarten war „Sonnen-UV-Fluss in den letzten etwa zwei Jahren“, sagte de Pater.

Die kombinierten Daten von Hubble, dem Webb-Weltraumteleskop, dem Keck-Observatorium und dem Lick-Observatorium werden weitere Untersuchungen der Physik und Chemie ermöglichen, die zu Neptuns dynamischer Erscheinung führen, was wiederum dazu beitragen kann, das Verständnis der Astronomen nicht nur über Neptun, sondern auch über Neptun zu vertiefen von Exoplaneten, da angenommen wird, dass viele der Planeten außerhalb unseres Sonnensystems Neptun-ähnliche Eigenschaften haben.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Icarus veröffentlicht.

Das Hubble-Weltraumteleskop ist ein Projekt der internationalen Zusammenarbeit zwischen NASA und ESA. Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, verwaltet das Teleskop. Das Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore führt wissenschaftliche Hubble-Operationen durch. STScI wird für die NASA von der Association of Universities for Research in Astronomy in Washington, D.C. betrieben