Venus Express -
was die Forschung sonst noch heraus fand


Die europäische Sonde Venus Express im Anflug über der Hölle (künstlerische Darstellung vom 10. Juni 2003): Unser Nachbarplanet Venus besitzt kein Wasser, ist mit einer Durchschnittstemperatur von 464 Grad Celsius so heiß, dass Blei schmelzen würde, und wird umgeben von einer giftigen, dicken Atmosphäre. Die Erforschung der Venus-Rätsel ist trotzdem ebenso spannend wie kompliziert.
Foto: ESA

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Venus Express - wie die Sonde in die Umlaufbahn kam
Venus Express - die Erforschung der Atmosphäre
Der Venus-Transit 2004

25-04-2012
Update 04-10-2012

Aus jeder Antwort wachsen neue Fragen
Die Daten der Sonde Venus Express bringen viele Mosaiksteinchen hervor - aber noch kein geschlossenes Bild

Von Christel Heybrock

Das Weltraum-Wetter rund um Venus: Hot Flow Anomalies

In unserem Sonnensystem (und vermutlich auch in fernen Sternsystemen) passieren mitunter die verrücktesten Dinge. Wenn der Teilchenfluss, der von der Sonne heranströmt, beispielsweise an Erde, Saturn oder womöglich auch Mars trifft, kann er in Wechselwirkung mit dem eigenen Magnetfeld des Planeten dermaßen effektiv abgelenkt werden, dass er zurück in Richtung Sonne gepresst wird. Was so einfach klingt, ist es freilich nicht, aber noch verblüffender: solche Hot Flow Anomalies (HFAs) wurden inzwischen auch bei der Venus entdeckt, die gar kein eigenes Magnetfeld hat. David Sibeck und Glyn Collinson vom Goddard Space Flight Center der NASA publizierten im Februar 2012 im Journal of Geophysical Research Ergebnisse einer Datenrecherche bei der Venus-Express-Sonde; sie hatten nach Aufzeichnungen bestimmter Strukturen von magnetischen Feldern und nach Plasma gesucht und diese Daten miteinander kombiniert. Die Entdeckung von HFAs bei der Venus geschah also indirekt - Venus Express ist gar nicht konstruiert worden, um derartige Explosionsprozesse zu beobachten. Bei der Suche nach Magnetfeldstrukturen entdeckten die Wissenschaftler bereits Stellen mit abruptem Wechsel der Polarität, und als auch noch der Nachweis von heißem Plasma dazu kam, mussten sie schlussfolgern, was bisher für unwahrscheinlich gehalten worden war: Am 22. März 2008 hatte sich eine Hot Flow Anomaly in der Umgebung von Venus abgespielt. Ein gewisser Verdacht war schon 2009 aufgekommen, als die Merkur-Sonde Messenger bei ihrem Venus-Vorbeiflug einen seltsamen Vorgang aufgezeichnet hatte. Mittlerweile würde den Planetologen zu ihrem Glück nur noch der direkte Nachweis einer Venus-HFA fehlen, am besten wenn eine Sonde mal mitten durch eine solche Formation hindurchfliegen könnte, aber das würde mit Sicherheit keine Mission überstehen.


Eine Hot Flow Anomaly bei Venus würde sich ungefähr so abspielen: Die Teilchen des heran fegenden Sonnenwindes stauen sich am Bow Shock, an der Bugwelle, und wenn dramatische "Diskontinuitäten", die im Sonnenwind mitgeführt werden, lange genug dort hängen bleiben, wachsen sie zu einer Blase aus bis zu 10 Millionen Grad heißem Plasma an. Solche Blasen (= Hot Flow Anomalies) können so groß werden wie der ganze Planet. Bei Venus ziehen sie wie eine Saugglocke auch Teile der oberen Atmosphäre mit.
Bild: NASA/Collinson

HFAs werden folgendermaßen erklärt: Bei Planeten mit einem eigenen Magnetfeld braust der Sonnenwind mit seinen geladenen Teilchen ans Magnetfeld heran und deformiert es: An der Vorderseite wird es zu einem Bow Shock, einer Bugwelle, zusammengestaucht, während es auf der Nachtseite des Planeten weit hinaus ins All geweht wird. Bei Venus ruft aber nur der Sonnenwind selbst ein gewisses Magnetfeld hervor, insofern ist es die obere Atmosphäre, die mit dem aggressiven, in Überschallgeschwindigkeit heransausenden Teilchenstrom der Sonne konfrontiert wird. Dass dabei Atmosphärenbestandteile abreißen und ins All getrieben werden, ist mittlerweile bekannt (siehe auch unten: Haben Magnetstürme der Venus das Wasser entrissen?) Dennoch wirkt natürlich auch Venus wie ein Hindernis im Sonnensturm, der beim Anprall abgebremst und zu einer Bugwelle zusammengedrückt wird. Vertrackterweise ist der Sonnensturm nun nicht homogen, sondern enthält "Diskontinuitäten" - Bereiche, in denen die mitgeführten Magnetfelder Risse haben, sich abrupt umpolen, explodieren, verschmelzen ... es geht ziemlich wild zu dabei, und heiß ist es auch noch. Die Bugwelle bildet also einen Stau, an dem sich die geladenen Teilchen sammeln und auftürmen, und wenn auch noch die bewussten unruhigen Magnetfeld-Fetzen lange genug mit der Bugwelle in Kontakt bleiben, häuft sich eine Blase heißer Sonnenwind-Partikel an: eben die Fließ-Anomalie des heißen Plasmas, die HFA. Solche Blasen mit Plasma-Temperaturen von 10 Millionen Grad können ungeahnte Ausmaße annehmen, sie können so groß werden wie der Planet selber, wobei natürlich eine weitere Bugwelle entsteht, denn der Sonnenwind hört ja nicht auf zu wehen, nur weil sich eine Menge Plasma auf Abwege begeben hat und in der Blase gefangen ist. Bei Venus kann sich diese HFA-Blase noch dazu wie ein Vakuum auswirken, das auch Atmosphärenteile ansaugt. Zugleich sind die Energien dieses wahnwitzigen Gebildes so enorm, dass der von außen heran wehende Sonnenwind abgelenkt und buchstäblich umgekehrt werden kann, so dass der Teilchenstrom wieder in Richtung Sonne fließt. Nein, wirklich vorstellen kann man sich das alles nicht. Der Realität vor unserer kosmischen Haustür ist die menschliche Fantasie nicht immer gewachsen.

Haben Magnetstürme der Venus das Wasser entrissen?

Die Venus-Atmosphäre besteht zwar aus dicken Wolken - aber Wasserdampf ist nur in Spuren darin, Hauptbestandteile sind Kohlendioxid, Stickstoff, Schwefelsäure und andere lebensfeindliche Komponenten. Deuterium - Schweres Wasser - ließ sich allerdings auch nachweisen, und das brachte die Wissenschaftler auf die Idee, der Höllenplanet könnte einst Wasser, ja vielleicht ganze Ozeane besessen haben. Wohin ist es verschwunden? Dazu gibt es eine ganze Menge dramatischer Szenarien (siehe Venus-Atmosphäre), aber eines davon wurde erst im April 2012 vorgestellt. Planetologe Tielong Zhang vom Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz publizierte in der Fachzeitschrift Science, dass Venus zwar kein eigenes, aber sehr wohl ein vom Sonnenwind induziertes Magnetfeld habe. Das wusste man zwar auch zuvor, aber dass dieser sozusagen flatternde Schleier zur Venus-Nachtseite hin teilweise auch reißen und gegenläufige Feldlinien sich rückkoppeln können (magnetic reconnection nennt man diesen heftigen Prozess) - das war denn doch noch nicht so eindrücklich beschrieben worden.

Mit der Erde passiert das praktisch ständig, vor allem dann, wenn die Sonne mal wieder eine ordentliche Ladung hochenergetischer Teilchen ins All gespuckt hat. Der von der Erde selbst erzeugte magnetische Schutzmantel verhindert zwar, dass die lebensfeindliche Strahlung die Oberfläche trifft, aber der Sonnenwind bläst diesen Schutzmantel "hinter" der Erde zu einem langen, wehenden Schweif, in dem Risse vorkommen können, so dass auch hier gegensätzlich gepolte magnetische Feldlinien aufeinander treffen, verschmelzen und dabei gewaltige Energien freisetzen. Sozusagen von hinten herum sausen Teilchen dann doch auf die Erde und erzeugen die berühmten Polarlichter. Gibt es auch auf der Venus Polarlichter? Kann sein. Viel weiter reichende Frage: Sind es Magnetstürme, die der Venusatmosphäre das Wasser entrissen haben?


Sonne, Erde und Venus in einer künstlerischen Darstellung: Ein Strom hochenergetischer Teilchen fließt mal heftiger, mal weniger heftig von der Sonnenoberfläche (links) ins All und trifft auch die Erde (Mitte) und Venus. Während die Erde (winzig klein mitten im blauen Wirbel) von einem eigenen Magnetfeld geschützt ist, das an der Vorderseite vom Sonnenwind zusammengedrückt wird und sich an der Rückseite wie ein flatternder Schleier weit ins All erstreckt, wird das vergleichsweise magere Magnetfeld der Venus (oben) vom Sonnenwind selbst hervorgerufen. In beiden Fällen jedoch kann es zu magnetischen Rekonnexionen kommen - dann nämlich, wenn Feldlinien reißen und von anderen gegenläufigen getroffen werden, mit denen sie verschmelzen. Es sind dramatische Prozesse, die aber ständig auch bei anderen Himmelskörpern passieren.
Foto: ESA

Bei Venus können die geladenen Teilchen der Sonne direkt die obere Atmosphäre attackieren. Die UV-Strahlung der Sonne entreißt der Venus-Atmosphäre Elektronen und erzeugt eine Region elektrisch geladenen Gases, die Ionosphäre, die sich in ständigem Kampf mit dem Sonnenwind und mit dem Magnetfeld befindet, das vom Sonnenwind herangetragen wird. Die Ionosphäre verteilt den Teilchenfluss rund um den Planeten, so dass auch bei Venus eine Magnetosphäre entsteht, die aber den Planeten nicht wie eine frontal zusammen gedrückte Blase schützt, sondern wie bei einem Kometenschweif nur hinter ihm herflattert. Bislang waren Wissenschaftler davon ausgegangen, dass bei Himmelskörpern ohne eigenes Magnetfeld keine Rekonnexionen vorkämen - aber Tielong Zhang, führender Wissenschaftler am Magnetometer (MAG) der Venus-Express-Sonde, konnte mit seinen Kollegen nachweisen, dass Venus Express am 15. Mai 2006 durch den Magnetschweif der Venus geflogen war, als sich just eine rotierende Magnetfeldstruktur für etwa 3 Minuten in einem Bereich von etwa 3400 km Durchmesser bildete. Das Ereignis fand rund 9000 km von der Venusoberfläche entfernt statt und scheint auch nicht das einzige geblieben zu sein - ein  Hinweis auf die großräumigen dynamischen Prozesse, die sich permanent im Bereich des Sonnenwindes abspielen.

Rekonnexionen bei Venus führen zu einer Spaltung des Magnetschweifs und schleudern einen großen Teil des in ihm gefangenen Atmosphärengases ins All, ein anderer Teil fegt zurück in Richtung Venus, wo ein Energiefluss geladener Sonnenwind-Teilchen auf der Nachtseitenatmosphäre des Planeten landet und zu einer Zirkulation von Plasma führt. Die Wissenschaftler haben bislang die Prozesse magnetischer Rekonnexionen noch nicht gänzlich durchschaut, aber die Tatsache, dass bei Venus dadurch Teile der Atmosphäre ins All entweichen, könnte eine von vielen Erklärungen für das Fehlen von Wasser sein.

Die Energien, die bei magnetischen Rekonnexionen freigesetzt werden, sind so gewaltig, dass man sie sogar als Radiosignale von Exoplaneten auf der Erde registrieren könnte, wie manche Forscher annehmen. Wenn das zutrifft, könnten solche Signale womöglich bei der Suche nach Planeten in fernen Sonnensystem helfen. Sogar bei Kometen können magnetische Rekonnexionen vorkommen, wie 2007 beim Kometen Encke beobachtet wurde: Dem kappte ein solches Ereignis den Schweif und riss die Materie weg ins All. In dieser Hinsicht ergeht es der Venus ähnlich wie einem Kometen, denn auch ihr wird dadurch Materie entrissen - wie gesagt, vielleicht auch die Wassermoleküle. 

Die Sache mit der Rotation

Dass Venus extrem langsam rotiert, ist seit den neunziger Jahren des vorigen Jahrhunderts durch die Kartierung der US-Sonde Magellan  bekannt, die mittels Radar erstmals durch die dicke Wolkendecke hindurch schauen und Fixpunkte für eine Messung festmachen konnte: Magellan konnte verfolgen, wie die Venus-Oberfläche sich unter der Sonde drehte. Venus dreht sich demzufolge nicht nur verkehrt herum, sondern auch so gemächlich, dass sie schneller die Sonne umrundet, als sich einmal um sich selbst zu drehen: Ein Venus-Jahr ist mit 224,7 Erdtagen kürzer als ein Venus-Tag (243 Erdtage). Bisher weiß niemand, warum das so ist, und 2012 konfrontierte unser glühender Schwesterplanet die Astrophysiker mit einem neuen Rätsel. Daten der europäischen Sonde Venus Express nämlich deuten darauf hin, dass Venus inzwischen noch 6,5 Minuten langsamer rotiert als in den neunziger Jahren. Zunächst glaubten die Wissenschaftler, sie hätten sich verrechnet, aber sie fanden keinen Fehler und fragen sich seither, wieso Oberflächenformationen der Venus sich mittlerweile um rund 20 km verschoben von den Magellan-Aufzeichnungen befinden. Die neue Erkenntnis wurde im Februar 2012 in der Fachzeitschrift "Icarus" publiziert (Lead-Autor ist der Planetologe Nils Müller vom Deutschen Zentrum fürLuft- und Raumfahrt DLR, der mit dem Infrarot-Instrument VIRTIS auf Venus Express arbeitete).


Die Venus-Oberfläche in Falschfarben nach der Radarkartierung der US-Sonde Magellan 1990-1994.
Foto: NASA

Eine verlässliche Kenntnis der Venus-Rotation ist unabdingbar für die Planung zukünftiger Raumsonden und die Berechnung möglicher Lande-Missionen. Aber woran kann es liegen, dass Venus sich in so relativ kurzem Zeitraum deutlich langsamer dreht? Mit der Antwort verbunden könnte die noch nicht gelöste Frage sein, ob der heiße Planet einen festen oder einen flüssigen Kern hat - wenn er fest ist und die Masse sich im Zentrum konzentriert, wäre Venus unempfindlicher gegen äußere Einwirkungen wie beispielsweise atmosphärische Ursachen. Atmosphärische Kräfte bremsen zwar auch die Erdrotation ein wenig ab, aber es handelt sich dabei um Millisekunden, nicht um Minuten. Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass der Venuskern eher nicht flüssig ist - Venus hat schließlich kein eigenes Magnetfeld wie die Erde, die einen Riesendynamo mit ihrem schwappenden Kern antreibt. Andererseits könnte das Venus-Magnetfeld auch durch die träge Rotation verhindert worden sein - ist der Kern also doch flüssig?

Sind es Wetterzyklen und Reibungen zwischen der Superrotation der Venus-Wolken und der gemächlichen Oberfläche, von denen die Rotation gebremst wird? "Icarus"-Co-Autor Pierre Drossart vom Observatoire de Paris deutete in einer Presseerklärung an, dass es sich um ein zyklisches Phänomen handeln könnte: Wenn die dichte Venus-Atmosphäre schneller dahinstürmt, bremst sie die Rotation, aber sobald sie langsamer wird, könnten auch die Stürme nachlassen, dann hätte der Planet selbst wieder mehr Bewegungsfreiheit und würde schneller; das wiederum würde die Atmosphäre nachziehen ... und alles finge von vorn an. Ist die Verlangsamung der Umdrehung also nur temporär? Oder hängt sie womöglich mit gravitativen Einflüssen zusammen, indem Erde und Venus einander von Zeit zu Zeit auf ihren Umlaufbahnen bis auf 40 Millionen km nahe kommen und dabei Drehimpuls verloren geht? Es ist wie immer in der astronomischen Wissenschaft: Man findet etwas heraus und reißt damit einen neuen Fragenkatalog auf.

Noch ein Rätsel: Kälteschicht in der Atmosphäre

Es kommt gar nicht selten vor, dass Wissenschaftler anhand älterer Daten Dinge entdecken, an die zunächst keiner gedacht hat. So sammelte das Instrument SOIR auf der Venus-Express-Sonde fünf Jahre lang Beobachtungen darüber, wie Infrarot-Anteile der Sonneneinstrahlung in die Venus-Atmosphäre eindringen, bevor sich Arnaud Mahieux vom Belgian Institute for Space Aeronomy und seine Mitstreiter genauer mit einem Teilaspekt dieser Daten auseinandersetzten. SOIR (= Solar Occultation at Infrared) ist Teil des SPICAV-Spektrometers zur Atmosphären-Forschung, und Mahieux nahm sich vor allem den Venus-Terminator vor, die Grenzlinie zwischen Tag und Nacht. Was er dabei entdeckte, kann zur Zeit noch niemand einordnen: Entlang des Terminators gibt es eine Atmosphärenschicht, die so eisig ist, dass sogar Kohlendioxid dort als Schnee auftreten oder zu Eis gefrieren könnte: -175 Grad C in einer Höhe von 125 km, und das, obwohl am Boden rotglühende Hitze herrscht und die Kältezone eingebettet ist in viel wärmere Schichten darüber und darunter. An keiner Stelle der Erdatmosphäre wird es so kalt, und erstaunlich ist die Entdeckung auch deshalb, weil Venus der Sonneneinstrahlung aus viel größerer Nähe ausgesetzt ist.


Der Terminator, die Tag-Nacht-Grenze über der von Stürmen und Wirbeln geprägten Venus-Atmosphäre. Das Bild der Venus-Express-Kamera VMC entstand 2006 aus einer Entfernung von 66.500 km überm Südpol, der im Zentrum des Bildes liegt.
Foto: ESA/MPS, Katlenburg-Lindau

Die Wissenschaftler hatten eigentlich nur die Konzentration von Kohlendioxid entlang des Terminators verfolgen wollen und stießen dabei auf die Temperatur-Anomalie. Sie stellten auch fest, dass die Temperatur-Profile auf der heißen Tag- und der kühlen Nachtseite in 120 km Höhe extrem differieren. Es könnte sein, so Mahieux, dass sich in manchen Atmosphäreschichten Tag- und Nachttemperaturen ganz anders auswirken als in anderen Höhen, und dass sich in manchen Lagen eher die Tagwärme, in anderen eher die Nachtkälte durchsetzt. Untersucht werden muss in Zukunft dabei auch die Rolle anderer Atmosphärenbestandteile wie Kohlenmonoxid, Stickstoff und Sauerstoff. Was auch immer bei weiteren Nachforschungen heraus kommt: Die Atmosphären-Dynamik der Venus ist von einer Komplexität, mit der vor einigen Jahren noch niemand gerechnet hat.

Infos:

Hot Flow Anomalies:
- Collinson, G., Sibeck,D, et al.: "Hot Flow Anomalies at Venus", Journal of Geophysical Research,  February 29, 2012, DOI: 10.1029/2011JA017277, http://www.agu.org/pubs/crossref/pip/2011JA017277.shtml und http://www.space.com/14796-venus-space-weather-explosions.html

Magnetstürme und Rekonnexionen:
- Zhang. T.L, et al., "Magnetic Reconnection in the Near Venusian Magnetotail", Science 1217013, published online 5 April 2012

Rotation:
- “Atmospheric angular momentum variations of Earth, Mars and Venus at seasonal time scales,” O. Karatekin, et al., Planetary and Space Science 59 (2011) 923–933.
- “Rotation period of Venus estimated from Venus Express VIRTIS images and Magellan altimetry,” N.T. Mueller, J. Helbert, S. Erard, G. Piccioni, P. Drossart, Icarus 217(2), February 2012, Pages 474–483.  

Temperaturen:
 - Mahieux, A., et al.: "Densities and temperatures in the Venus mesosphere and lower thermosphere retrieved from SOIR on board Venus Express. Carbon dioxide measurements at the Venus terminator", Journal of Geophysical Research - Planets, vol, 117, E07001, 2012, Doi: 10.1029/2012JE004058.
- ESA-News: http://www.esa.int/esaCP/SEMILCERI7H_index_0.html

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