Pluto, der Zwergplanet im Kuipergürtel, durchläuft möglicherweise eine Veränderung seiner Atmosphäre, die sich in einer allmählichen Verdichtung an seiner Oberfläche äußert. Jüngste Beobachtungen, die 2026 im Planetary Science Journal veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass der atmosphärische Druck des Himmelskörpers nach einer Stabilitätsperiode von 2015 bis 2021 zu sinken begann. Nach dem Modell, das atmosphärischen Dunst berücksichtigt, war der Druck nach 2021 um 16 % niedriger.
Der Stickstoff, der einen Großteil dieser Atmosphäre ausmacht, verteilt sich wahrscheinlich nicht im Weltraum. Der größte Teil davon scheint sich in Stickstoffeis zu verwandeln und sich auf Plutos Oberfläche abzulagern, während sich der Zwergplanet langsam weiter von der Sonne entfernt.
Dieses Phänomen stellt kein „Ende“ der Pluto-Atmosphäre dar, sondern vielmehr eine natürliche Phase in einem Planetensystem, das seit Millionen von Jahren Stickstoff zwischen Oberfläche und Atmosphäre austauscht. Das aktuelle Verständnis geht eher von einer Zustandsänderung als von einem irreversiblen Verlust aus.
Messung des Atmosphärendrucks durch Sternbedeckungen
Das Fehlen einer Orbitalsonde auf Pluto veranlasst Astronomen, seine Atmosphäre durch Sternbedeckungen zu überwachen. Bei dieser Technik wird beobachtet, wie der Zwergplanet von der Erde aus gesehen vor einem entfernten Stern vorbeizieht.
Gäbe es keine Atmosphäre, würde der Stern plötzlich verschwinden. Plutos Atmosphäre bricht und absorbiert jedoch Sternenlicht, was zu einem allmählichen Helligkeitsabfall führt, der Daten über Druck, Temperatur und atmosphärische Struktur liefert.
Die neue Forschung analysierte zehn Bedeckungen, die zwischen August 2017 und 17. Juli 2023 aufgezeichnet wurden. Vier dieser Ereignisse wurden auf mehreren Flugbahnen durch Plutos Schatten beobachtet, während sechs von einzigartigen Orten stammten, was die Unterscheidung ihrer Geometrie von der Atmosphäre selbst erschwert.
Obwohl indirekt, hat die Bedeckungstechnik eine relevante Geschichte, da sie 1988 die Existenz der Atmosphäre von Pluto enthüllte, lange bevor die Sonde New Horizons ihre detaillierten Beobachtungen im Jahr 2015 durchführte.
Der 16-prozentige Abfall des atmosphärischen Drucks auf Pluto
Der deutlichste Rückgang wurde bei Modellen beobachtet, die das Vorhandensein von Dunst in der unteren Atmosphäre von Pluto berücksichtigen. In einer Referenzhöhe von 1.215 Kilometern vom Zentrum des Zwergplaneten sank der Druck von 6,17 Mikrobar im Zeitraum 2015 bis 2021 auf 5,20 Mikrobar nach 2021. Diese Schwankung entspricht einem Rückgang von 16 %, mit einer Unsicherheitsmarge von 2 Prozentpunkten.
Eine andere Analysemethode, die sich nur auf die klarste obere Atmosphäre konzentrierte und den Druck in einem Radius von 1.275 Kilometern berechnete, ergab eine konservativere Reduzierung um 7 %, mit einer Unsicherheit von 6 Prozentpunkten.
Es ist wichtig zu beachten, dass diese Referenzstrahlen von entscheidender Bedeutung sind, da die meisten Lichtkurven von Bedeckungen Plutos Oberfläche nicht erreichen. Wissenschaftler passen die Atmosphäre in Höhen an, in denen das Sternenlicht tatsächlich interagiert, und nutzen dabei atmosphärische Profile, um auf die Bedingungen in größeren Tiefen zu schließen. Änderungen in der Atmosphärenstruktur können daher die Umwandlung in Oberflächendruck verändern.
Die Beobachtungskampagne, bei der die Veränderung festgestellt wurde, erstreckte sich über den Zeitraum zwischen August 2021 und Juli 2023. Die formelle Schätzung von 16 % ist ein gewichteter Vergleich zwischen dem Stabilitätszeitraum von 2015 bis 2021 und den nach 2021 angepassten Daten, der hauptsächlich durch Beobachtungen aus dem Jahr 2022 beeinflusst wurde. Das Ereignis im Juli 2023 war von geringer Intensität und mit einer einheitlichen Flugbahn und brachte größere Unsicherheiten mit sich. Der Abfall wurde in diesem Zeitraum sichtbar, kann jedoch nicht als zwei exakte Druckmesswerte an diesen bestimmten Daten interpretiert werden.
Die Entwicklung der Atmosphäre von Pluto und ihre Beziehung zur Entfernung von der Sonne
Pluto erreichte 1989 sein Perihel, seinen sonnennächsten Punkt. Die logische Erwartung wäre eine sofortige Kontraktion seiner Atmosphäre, wenn er sich entfernt.
Die Bedeckungen zeigten jedoch ein überraschendes Verhalten: Der Luftdruck verdoppelte sich zwischen 1988 und 2002 praktisch, blieb in den Jahren 2006 und 2007 stabil und stieg bis etwa 2015 weiter an, um bis 2021 stabil zu bleiben.
Diese Verzögerung der Reaktion ist ein Hinweis auf die Komplexität der Jahreszeiten auf unserem Planeten. Pluto hat eine axiale Neigung von fast 122 Grad, eine elliptische Umlaufbahn und einen Untergrund mit der Fähigkeit, Wärme zu speichern. Sein Klima reagiert nicht nur auf die Entfernung von der Sonne, sondern auch auf den Einfall von Sonnenlicht, die Verfügbarkeit von flüchtigem Eis und die Langsamkeit, mit der gespeicherte Wärme abgeführt wird.
Die Umlaufbahnentfernung legt den allgemeinen Trend fest, während die thermische Trägheit und die Geographie des Zwergplaneten den genauen Zeitpunkt und die Intensität der Veränderungen bestimmen.
Die Dynamik von Stickstoff zwischen der Oberfläche und der Atmosphäre
Plutos Atmosphäre besteht überwiegend aus molekularem Stickstoff mit kleineren Mengen Methan, Kohlenmonoxid und Spuren von Kohlenwasserstoffen. Auf seiner Oberfläche befinden sich auch große Vorkommen an Stickstoffeis, die besonders deutlich in Sputnik Planitia, der herzförmigen Region, zu sehen sind.
Wie bereits erkundet, handelt es sich bei dieser Ebene nicht um ein statisch gefrorenes Gebiet. Stickstoffeis bewegt sich durch Konvektion, fließt und erneuert die Oberfläche und treibt die Atmosphäre darüber an.
Unter Plutos Temperaturbedingungen ist die Grenze zwischen Boden und Luft dynamisch. Stickstoffeis sublimiert beim Erhitzen direkt in den gasförmigen Zustand und Stickstoffgas kondensiert beim Abkühlen direkt wieder in den festen Zustand (Frost). Folglich steht der atmosphärische Druck in direktem Zusammenhang mit dem Dampfdruck des Oberflächeneises und kann bei kleinen Temperaturschwankungen drastisch variieren.
Die Sonde New Horizons ergänzte diese Daten mit Bildern, die zeigten, wie Pluto von mehreren Atmosphärenschichten umgeben ist. Diese bläuliche Dämmerung ist das Ergebnis der Streuung des Sonnenlichts durch organische Partikel, obwohl das Gas selbst extrem verdünnt ist.
Die neue Studie ergab, dass die Grundform der oberen Atmosphäre zwischen 2017 und 2023 innerhalb der Fehlergrenzen der Messung konstant blieb. Die Lichtkurven der unteren Atmosphäre zeigten jedoch Veränderungen. Die Autoren vermuten, dass dies mit Schwankungen der Temperaturgradienten, Nebel oder beidem vereinbar ist.
Für Partikel mit einem Durchmesser zwischen 0,2 Mikrometern und 10 Nanometern variiert die geschätzte Sedimentationszeit zwischen etwa 10 und 400 Tagen. Ein sanfterer Anstieg der jüngsten Lichtkurve könnte daher auf einen Rückgang des Dunstes hinweisen, wenn sich die Atmosphäre zusammenzieht.
Atmosphärischer Kollaps: ein Phasenwechsel, keine Vernichtung
Planetenforscher verwenden den Begriff „atmosphärischer Kollaps“, um einen großen Druckverlust zu beschreiben, der durch Kondensation verursacht wird. Obwohl es sich um einen technisch nützlichen Begriff handelt, kann er emotional irreführend sein und auf eine völlige Katastrophe schließen lassen.
Im Fall von Pluto wechselt ein Großteil des Stickstoffs einfach seine Phase und verbindet sich mit dem Eisreservoir. Es geht dem Zwergplaneten nicht unbedingt dauerhaft verloren. Unter wärmeren Bedingungen, in einem anderen Teil seines saisonalen Zyklus, kann ein Teil dieses Eises sublimieren und in die Atmosphäre zurückkehren. Das bedeutet, dass der Zwergplanet über ein komplexes System des Massenaustauschs zwischen seinen Oberflächenreservoirs und seiner dünnen Gasschicht verfügt.
Bestehende Modelle weisen Unterschiede hinsichtlich der Intensität des Druckabfalls auf. Ältere Szenarien sagten das Gefrieren des größten Teils der Atmosphäre in den kältesten Regionen von Plutos Umlaufbahn voraus. Neuere Modelle, die den Transport flüchtiger Substanzen berücksichtigen, sagen im Allgemeinen die Aufrechterhaltung einer globalen Atmosphäre, wenn auch dünn, während ihres 248-jährigen Umlaufzyklus voraus. Dies liegt daran, dass Sputnik Planitia viel Stickstoff enthält und der Untergrund eine erhebliche thermische Trägheit aufweist.
Der Unterschied ist bedeutsam. Eine dünnere globale Atmosphäre, eine vorübergehend lokalisierte Atmosphäre und ein fast vollständiger saisonaler Kollaps sind nicht identische Ergebnisse. Aktuelle Beobachtungen sind noch nicht präzise genug, um abschließend zu bestimmen, welches Modell am genauesten ist.
Die Beständigkeit der Pluto-Atmosphäre über Millionen von Jahren
Es gibt keine direkten Beobachtungen, die die ununterbrochene Beständigkeit der Pluto-Atmosphäre über geologische Zeiträume hinweg belegen. Die Entdeckung durch den Menschen erfolgte erst im Jahr 1988. Die Vorstellung, dass es „in irgendeiner Form fortbestand“, ist eine Schlussfolgerung, die auf dem Inventar flüchtiger Substanzen, den Oberflächenaufzeichnungen, Schätzungen des atmosphärischen Entweichens und Klimamodellen basiert.
Ein Langzeitmodell für den Stickstoffkreislauf hat den Transport flüchtiger Substanzen auf Pluto über Millionen von Jahren hinweg verfolgt, einschließlich Variationen in der Schiefe und der Orbitalgeometrie. Ihre Simulationen beschreiben die Bewegung von Stickstoff zwischen Sputnik Planitia und anderen Regionen, die Bildung und Erosion von Ablagerungen sowie den Oberflächendruck in den letzten 30 Millionen Jahren.
In diesem tieferen Sinne kann Plutos Atmosphäre bestehen bleiben. Das einzelne Stickstoffmolekül muss nicht im gasförmigen Zustand bleiben. Die Atmosphäre kann sich zusammenziehen, Eis kann sich verschieben und der globale Druck kann dramatisch schwanken, während das miteinander verbundene Reservoir weiterhin funktioniert.
Es wäre übertrieben zu behaupten, dass Pluto seit Millionen von Jahren den aktuellen Atmosphärendruck oder einen kontinuierlichen globalen Dunst aufrechterhalten hat. Es lässt sich jedoch vernünftigerweise schlussfolgern, dass der Mechanismus zur Wiederherstellung einer Stickstoffatmosphäre über viele ausgedehnte Klimazyklen hinweg funktionierte.
Was die Vorhersage 2114 für Pluto bedeutet
Nach Angaben der NASA um Pluto umkreist der Zwergplanet die Sonne in einer Entfernung zwischen 30 und 49,3 Astronomischen Einheiten. Man geht davon aus, dass Pluto um das Jahr 2114 herum das Aphel erreichen wird, den am weitesten von der Sonne entfernten Punkt seiner Umlaufbahn.
