Magnetosphären der äußeren Planeten Von Andreas Kopp

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1 Die Magnetosphären der äußeren Planeten Von Andreas Kopp Bis auf unsere Nachbarn Venus und Mars weisen alle Planeten des Sonnensystems ein Magnetfeld auf, das auf mannigfache Weise ihre nähere und teilweise auch weitere Umgebung beeinflusst. Wir stellen die spannende Geschichte der Entdeckung der planetaren Magnetfelder vor und beschreiben ihre große Vielfalt. Schon im Altertum unterschieden die Beobachter zwischen Fix- und Wandelsternen. Letztere, die wir heute als Planeten kennen, bereichern den Nachthimmel als auffallend kräftige Leuchterscheinungen und erhielten daher besonders ehrenvolle Namen: Die beiden prächtigsten von ihnen benannte man schon in der Antike nach Jupiter, dem obersten aller Götter, und nach Saturn, dem Vater des Jupiter. Nach der Erfindung des Fernrohrs um das Jahr 1608 rückten die Planeten ins Blickfeld der Astronomen und mit ihnen auch ihre Monde entdeckten unabhängig voneinander Simon Marius und Galileo Galilei vier Monde, die den Jupiter umrunden. Simon Marius benannte sie nach Liebschaften des Zeus, dem römischen Gott Jupiter: Io, Europa, Ganymed und Callisto, Namen, die bis heute gültig sind. Der Hauptgegenstand astronomischer Untersuchungen des Sonnensystems waren in der Folgezeit vor allem die Bahnen der Planeten und Kometen. Sie führten schließlich zur Entdeckung der äußeren Planeten Uranus und Neptun in den Jahren 1781 beziehungsweise Abgesehen von den berühmten Marskanälen, beschäftigten sich die Astronomen jedoch kaum mit den physikalischen Eigenschaften der Planeten. Sie hören Radio Jupiter Eine zufällige Entdeckung vor gut fünfzig Jahren änderte dies schlagartig und rückte Jupiter ins Rampenlicht der Forschung: Zwei junge amerikanische Radioastronomen, Bernard Burke und Kenneth Franklin, fanden Anfang 1955 eine Radioquelle, die intensive Ausbrüche im Bereich der Dekameterwellen zeigte. Im Gegensatz zu allen anderen seinerzeit bekannten astronomischen Radioquellen bewegte sie sich langsam über den Himmel. Zunächst konnten die beiden Forscher es kaum glauben, dass der hell über ihnen leuchtende Jupiter wirklich die Quelle der Dekameterwellen ist. Ihre Messungen lösten eine hektische Betriebsamkeit unter den Fachkollegen aus, denn das Zustandekommen dieser Strahlung konnte sich niemand erklären. Einigkeit bestand schnell darüber, dass es sich dabei um Synchrotronstrahlung handeln musste. Diese entsteht, wenn schnelle Elektronen um magnetische Feldlinien kreisen. Ihr Nachweis hatte immense Bedeutung, denn damit war klar, dass nicht nur die Erde ein Magnetfeld aufweist, sondern auch andere Planeten (Abb. 1). Doch wie sieht ein solches Feld aus? Kehren wir zur Beantwortung dieser Frage zur Erde zurück: Dem britischen Physiker William Gilbert gelang im Jahre 1600 die Erklärung der seit dem Altertum bekannten Ausrichtung der Kompassnadel in Nord-Süd-Richtung: Die Erde selbst ist ein riesiger Magnet! Dieses Magnetfeld wird, wie wir seit Carl Friedrich Gauß wissen, durch Strömungen geladener Teilchen im flüssigen Erdinneren erzeugt. Vereinfacht können wir uns das Erdmagnetfeld als das Feld eines großen Stabmagneten vorstellen, physikalisch korrekter ist allerdings der Vergleich mit dem Magnetfeld, dass von einer stromdurchflossenen Spule erzeugt wird (siehe Kasten auf Seite 48). In unseren Breiten verlaufen die Feldlinien dieses Magneten flach und etwa parallel zur Erdoberfläche, und wir beobachten die Ausrichtung der Kompassnadel. In höheren Breiten fallen die Feldlinien immer steiler und dichter ein, an den magnetischen Polen schließlich stehen die Feldlinien senkrecht zur Oberfläche. Diese stimmen jedoch nicht mit den geographischen Polen der Rotationsachse überein, sondern sind etwas versetzt. Der Winkel zwischen der Rotationsachse und der magnetischen Achse ist die Neigung des Dipols. Dieser Winkel ist nicht zu verwechseln mit der Neigung der Rotationsachse gegen die Ekliptik, die für die jahreszeitlichen Schwankungen verantwortlich ist. Eine Größe, die über Stärke und Ausrichtung des Dipolfelds Auskunft gibt, ist das Dipolmoment. 46

2 Nasa/John T. Clarke/University of Michigan Abb. 1: Die Polarlichter des Jupiter nahm das Hubble-Weltraumteleskop im ultravioletten Licht auf (kleine Bilder). Den Hintergrund bildet eine Aufnahme im sichtbaren Licht, die ebenfalls von Hubble stammt. Jupiter weist das stärkste planetare Magnetfeld des Sonnensystems auf, und dessen Einfluss erstreckt sich weit in den interplanetaren Raum hinein. Mächtige Strahlungsgürtel umgeben den Planeten, deren Intensität sogar der Elektronik von Raumsonden gefährlich wird. 47

3 Bildgröße: 80,5 x 90,5 mm Das Magnetfeld der Erde Das Magnetfeld der Erde kann man sich in erster Näherung als das Feld eines riesigen Stabmagneten vorstellen, wie er symbolisch im Zentrum der Grafik rechts gezeigt ist. Die blauen Linien stellen die Magnetfeldlinien dar. Die Pfeile und Kompassnadeln geben dabei die Richtung der Feldlinien an, die außerhalb des Magneten definitionsgemäß von Nord nach Süd zeigt. Korrekter wäre es jedoch, vom Magnetfeld einer Spule zu sprechen, in der ein elektrischer Strom fließt. Die schwarzen Linien deuten eine solche Spule an. Die Achse dieser Spule wird als magnetische Achse bezeichnet, sie gibt Auskunft über die Ausrichtung des Magnetfelds und zeigt innerhalb des Magneten beziehungsweise der Spule vom Südpol zum Nordpol. Erzeugt werden diese Ströme durch Bewegungen geladener Teilchen im Erdinneren, und zwar im flüssigen äußeren Erdkern (rot), der den festen inneren Kern (braun) umschließt und auf den nach außen hin der ebenfalls feste Erdmantel (grün) folgt. Eine wichtige Zutat für das Zustandekommen dieser Konvektionsbewegungen im Inneren ist die Drehbewegung der Erde um ihre Rotationsachse, sie zeigt nach Norden. Sie fällt jedoch nicht mit der magnetischen Achse zusammen. Den Winkel zwischen diesen beiden Achsen bezeichnet man als Dipolneigung. Dieser Winkel sieht bei der Erde klein aus, betrachtet man aber die oben definierten Richtungen dieser Achsen, so erhalten wir einen Winkel von fast 170 Grad. Dies bedeutet, dass der magnetische Nordpol am geographischen Südpol (S) liegt und umgekehrt. Die Kompassnadel zeigt also eigentlich nach Süden. Reinhold Henkel nach Dieter Weltz Magnetfelder im Sonnensystem Nicht nur die Erde und Jupiter sind von Magnetfeldern umgeben, sondern mit Ausnahme von Mars und Venus sämtliche Planeten unseres Sonnensystems. Ihre Felder unterscheiden sich im Prinzip lediglich durch ihre Stärke und Ausrichtung. Mars besitzt kein Dipolfeld, dafür weisen vor allem auf der Südhalbkugel größere Gebiete eine zum Teil recht starke remanente Magnetisierung auf. Diese Restmagnetisierung können wir uns etwa wie ein Stück Eisen vorstellen, das einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird und anschließend als Magnet wirkt. Im Gegensatz zum immer neu im Inneren erzeugten intrinsischen Dipolfeld klingt dieses Feld mit der Zeit ab. Mars erzeugte also in seiner Frühzeit ein eigenes Magnetfeld, dessen Quelle aber inzwischen verschwunden ist. Offenbar kamen die Konvektionsbewegungen in seinem Inneren zum Erliegen. Neben den Planeten finden wir auch bei zwei Jupitermonden Magnetfelder: Ganymed ist größer als der Planet Merkur und erzeugt wie dieser ein schwaches Magnetfeld. Der Mond Europa ist zu klein, als dass in seinem Inneren größere Ströme geladener Teilchen fließen könnten. Entlang seiner Bahn ist der Mond jedoch dem sich im Zehn-Stunden-Takt auf- und abbewegenden Jupitermagnetfeld ausgesetzt, eine Folge der Dipolneigung und der schnellen Rotation des Jupiter. Die zeitlich variablen Anteile des Hintergrundfelds induzieren im Inneren von Europa ein Magnetfeld, das wie ein um 90 Grad geneigtes Dipolfeld aussieht. Infolgedessen variiert die Stärke dieses Feldes, das durchaus mit dem intrinsischen Feld von Ganymed mithalten kann, mit der Rotationsperiode von Jupiter. Dies ist nur dann möglich, wenn das Innere des Mondes elektrisch leitend ist. Daher gaben die Magnetfeldmessungen der Raumsonde Galileo den Spekulationen über einen salzhaltigen Wasserozean unter der Oberfläche von Europa neue Nahrung. Bei Io und Callisto finden sich dagegen weder intrinsische noch induzierte Magnetfelder. Der Vollständigkeit halber möchte ich noch die Magnetosphäre von Merkur erwähnen: Sein Magnetfeld ist so schwach, dass die hieraus resultierende Magnetosphäre gerade ausreicht, um ein Auftreffen des ihn umströmenden Sonnenwinds auf die Oberfläche zu verhindern. Ihr prinzipieller Aufbau entspricht derjenigen der Erdmagnetosphäre. Wenn wir die Magnetfelder der einzelnen Planeten und Monde miteinander vergleichen, so fällt auf, dass bei den magnetisierten Gesteinsplaneten Merkur und Erde der magnetische Nordpol beim geographischen Südpol liegt. Der Jupitermond Ganymed enthält unter einem dicken Eismantel einen großen Gesteinskern, in dem sein intrinsisches Magnetfeld entsteht. Es ist ebenfalls nach Süden gerichtet. Dies ist vermutlich Zufall, denn wir wissen, dass sich in der Vergangenheit das Erd- 48

4 magnetfeld schon mehrfach etwa alle halbe Million Jahre umgepolt hat. Zudem hängt das Dipolmoment damit zusammen, wie schnell sich ein Körper um seine eigene Achse dreht. Die langsam rotierenden Himmelskörper Merkur und Ganymed weisen die schwächsten Felder auf, die schnell rotierenden Planeten Jupiter und Saturn sind von den stärksten Magnetfeldern umgeben. In dieses Schema fügt sich insbesondere auch die Venus ein, die noch erheblich langsamer rotiert als Merkur und deshalb wohl kein Magnetfeld erzeugen kann. Der Mars passt auch in dieses Bild, da er zumindest in früheren Zeiten ein Dipolfeld besaß. Während alle Gesteinsplaneten in ähnlicher Weise ihre Magnetfelder erzeugen, muss bei den Gasplaneten aufgrund ihres stark abweichenden inneren Aufbaus ein anderer Vorgang am Werk sein. Jupiter und Saturn weisen sehr starke Felder mit einer geringen Dipolneigung auf. Saturn ist sogar der einzige Planet ohne nennenswerte Dipolneigung. Die Magnetfelder der beiden Eisplaneten Uranus und Neptun dagegen sind schwächer, bemerkenswert ist aber vor allem ihre fast schon exotisch zu nennende Dipolneigung. Zudem ist die Erzeugungsregion ihrer Magnetfelder erheblich aus ihren Zentren verschoben. Die Erzeugungsmechanismen müssen sich daher zwangsläufig unterscheiden: Wie die Erde auch besitzen die Gasplaneten vermutlich einen festen Kern. Bei Jupiter und Saturn ist der Druck der um den Kern liegenden Gashülle so groß, dass Wasserstoff dort in metallischer Form, also als elektrisch leitende Flüssigkeit, auftritt. Ihre Magnetfelder entstehen daher wie bei der Erde nahe des festen Kerns (Abb. 2). Der Mechanismus bei Uranus und Neptun funktioniert anders: Der Druck im Inneren reicht nicht für die Bildung von metallischem Wasserstoff aus. Stattdessen bilden sich Hochdruckvarianten von Wassereis. Diese werden erst in den Außenbereichen flüssig, sodass die Magnetfelder dieser Planeten weiter vom Zentrum entfernt entstehen (Abb. 2). Io steuert die Jupiter-Radiowellen Die Planeten, ob magnetisiert oder nicht, stehen nicht isoliert im Raum, sondern werden vom Sonnenwind angeströmt. Während Venus und Mars mehr oder weniger nur passive Hindernisse für ihn darstellen, bilden die übrigen Planeten aufgrund der Wechselwirkung ihrer Magnetfelder mit dem Sonnenwind eine Magnetosphäre aus. Dies gilt auch für Ganymed, der eine eigene kleine Magnetosphäre innerhalb derjenigen von Jupiter besitzt. Zur Zeit der Entdeckung der Radiostrahlung von Jupiter kannten die Forscher jedoch den Begriff Magnetosphäre noch gar nicht. Auch die Erforschung der nächsten Umgebung der Erde der erste Satellit wurde erst 1957 gestartet steckte noch in den Kinderschuhen. Die Suche nach der Ursache dieser Radiostrahlung liest sich spannend wie ein Krimi, und erst mit Hilfe von Indizien kamen die Astronomen schließlich dem Verursacher im wahrsten Sinne des Wortes auf die Spur: Die Radiostrahlung ist nicht kontinuierlich, sondern hängt mit der Rotation des Jupiter zusammen. Im Jahre 1964 fanden die Forscher eine auffallende Korrelation zwischen ihrem Auftreten und der Position von Io. Damit war zwar klar, wer Urheber der Radiostrahlung ist. Unbekannt blieb jedoch, wieso nur Io eine solche Strahlung verursacht und wie diese überhaupt zustande kommt. Woher kommen beispielsweise die schnellen Elektronen, die für die Synchrotronstrahlung benötigt werden? Inzwischen war von der Magnetosphäre der Erde bekannt, dass in ihr erhebliche elektrische Ströme fließen. Dieses Konzept übertrug man auf das System Jupiter-Io. Daraus ergab sich die Schlussfolgerung, dass ein gewaltiger elektrischer Strom von einigen Millionen Ampere zwischen den Ionosphären von Io und Jupiter fließen muss (Abb. 3). Weitere Hinweise lieferten spektroskopische Untersuchungen. Im Spektrum zeigten sich Spuren von Natrium und Schwefel. Eine exakte Bestimmung der Umlaufperioden der Monde Io, Europa Abb. 2: Die Erzeugung planetarer Magnetfelder am Beispiel der Erde (a), von Jupiter (b) und von Uranus (c). Bei der Erde und vergleichbaren Körpern wird das Magnetfeld durch Ströme geladener Teilchen im flüssigen äußeren Kern erzeugt, während der innere Kern fest ist. Bei den größeren Planeten Jupiter und Saturn ist der Druck so groß, dass Wasserstoff im Inneren in metallischer Form vorliegt. Die Konvektion dieser gut leitenden Flüssigkeit erzeugt die Magnetfelder. Bei den Eisplaneten Uranus und Neptun reicht der Innendruck nicht zur Bildung von metallischem Wasserstoff aus: Um ihre Kerne befindet sich vermutlich eine Eisschicht, die erst in etwas außerhalb gelegenen Bereichen flüssig wird und somit ein Magnetfeld erzeugen kann. Bildgröße: 175 x 74,5 mm A.. M. Quetz: nach Jonathan Aurnou, Nature 428, S. 134 ff. (2004) 49

5 Abb. 3: Die von den aktiven Vulkanen auf Io emittierte Materie wird ionisiert und verteilt sich entlang seiner Bahn. Dieses Plasma (grün) bewegt sich mit dem Jupitermagnetfeld (blau) um den Planeten, umrundet ihn also in knapp zehn Stunden, während Io hierfür 42 Stunden benötigt. Da die Dipolachse (gelb) um knapp zehn Grad von der Rotationsachse abweicht, ist der Torus leicht gegen die Bahn Ios geneigt. Zwischen Io und Jupiter bildet sich das Stromsystem (weiße Linien), in dem die Dekameter-Radiowellen entstehen. Abb. 4: Dem Hubble- Weltraumteleskop gelang diese Aufnahme des Aurora-Ovals am Nordpol des Jupiter im Ultravioletten. Der helle Punkt ganz links ist der Io-Fußpunkt, unten rechts sind die weitaus schwächeren Fußpunkte von Europa (rechts) und Ganymed (links) zu erkennen. Bildgröße: 140 x 90,5 mm und Ganymed enthüllte, dass diese genau im zeitlichen Verhältnis von 1 zu 2 zu 4 den Jupiter umkreisen. Diese Resonanz führt bei Io zu erhöhten Bahnexzentrizitäten und starken Gezeitenkräften. Offenbar wird der Mond von diesen Kräften wie ein Teig»durchgewalkt«. Daher wagten im Februar 1979 einige Forscher in der Zeitschrift»Science«die Vorhersage von aktivem Vulkanismus auf Io. Tatsächlich stieß die nur drei Wochen später eintreffende Sonde Voyager-1 auf aktive Vulkane. Zudem entdeckte sie, dass die gesamte Io-Bahn mit einer dichten Wolke geladener Teilchen, dem sogenannten Io-Plasmatorus, angefüllt ist. Die aus den Vulkanen austretende Materie, überwiegend Schwefel und Sauerstoff, wird recht bald ionisiert, so dass Io eine gut leitende Ionosphäre besitzt. Dadurch stört Io das ihn permanent überholende Jupitermagnetfeld. Während Io auf seiner Bahn 42 Stunden für einen Umlauf um Jupiter benötigt, dreht sich das Magnetfeld mit dem Planeten mit, rotiert also in weniger als zehn Stunden. Durch diese Magnetfeldstörung entsteht das bereits erwähnte Stromsystem zwischen Io und Jupiter, entlang dessen Elektronen beschleunigt werden können. Damit war das Rätsel um die Radiostrahlung des Jupiter 25 Jahre nach der Entdeckung endlich gelöst. Nachdem die Voyager-Sonden in der Nähe der Pole des Planeten Polarlichter beobachteten, die denen auf der Erde ähnelten, entdeckte man darin Reinhold Henkel: nach Nasa Nasa/John T. Clarke/University of Michigan 50

6 weitere Beweise für die Richtigkeit des Modells, denn innerhalb der Aurora zeigt sich genau dort eine deutliche Aufhellung, wo die mit Io verbundenen Magnetfeldlinien durch die Ionosphäre laufen. Solche»Fußpunkte«, wenngleich deutlich schwächer, fanden sich später auch bei den übrigen Monden. Während diese Erscheinungen unmittelbar in Jupiters Ionosphäre entstehen, lokalisiert man die Erzeugungsgebiete der Dekameter-Radiostrahlung etwas weiter außerhalb, auf dem Weg entlang des Stromsystems zu Io. Nach dem man bereits 1965 die Radiostrahlung der Erde mit Hilfe von Satelliten beobachtet hatte, untersuchten die Voyager-Sonden während ihrer Vorbeiflüge das gesamte Spektrum der Radiostrahlung von Jupiter. Dies ist von der Erde aus nicht möglich, da die irdische Ionosphäre wichtige Bereiche herausfiltert. Es zeigte sich, dass Jupiter auch in anderen Wellenlängenbereichen eine deutliche Radiostrahlung aussendet, deren Ursache allerdings nicht Io ist. Die Quellgebiete dieser bei weitem nicht so spektakulären Emissionen sind die Aurorazonen, der Io-Plasmatorus sowie andere Regionen der Jupitermagnetosphäre. Mannigfaltige Magnetosphären Tragen wir an dieser Stelle zusammen, was die Gasplaneten von der Erde unterscheidet, so stoßen wir auf vier Eigenschaften, die Einfluss auf die Gestalt ihrer Magnetosphären nehmen: Alle Planeten drehen sich deutlich schneller um ihre eigene Achse und alle weisen zum Teil wesentlich stärkere Magnetfelder als die Erde auf. Bei Uranus und Neptun ist zudem die Neigung der Dipolachse und der Rotationsachse erheblich größer als bei der Erde. Bei Jupiter wiederum spielen seine Monde eine wichtige Rolle. Wie wir noch sehen werden, sind auch die Monde des Saturn, in geringerem Maße auch die von Uranus und Neptun von großer Bedeutung für ihre Magnetosphäre. Neben Saturn besitzen auch die drei anderen Planeten ein Ringsystem, doch sie befinden sich für einen größeren Einfluss auf die Magnetosphären zu nahe am Planeten. Für die Gestalt der Jupitermagnetosphäre ist Io in erster Linie als starke Quelle geladener Teilchen wichtig. Infolge der schnellen Rotation von Jupiter werden sie gewissermaßen nach außen geschleudert, und um den Io-Plasmatorus herum bildet sich die so genannte Plasmascheibe, die bis in eine Entfernung von 20 bis 30 Jupiterradien mit dem Planeten gemeinsam rotiert und sich in den Schweif hinein ausdehnt. Bei der Erde beobachtet man dagegen nur die Plasmaschicht im Schweif. In ihren Ausmaßen spiegelt die Jupitermagnetosphäre diese innere Struktur wider: Während die Erdmagnetosphäre von der Sonne aus betrachtet in etwa kreisförmig erscheint, haben wir es bei Jupiter eher mit einer Ellipse zu tun, die in der Breite weit auseinander gezogen ist (Abb. 5). Die Ausmaße dieser Magnetosphäre sind gewaltig: Mit einer Breite von etwa 500 und einer Höhe von 300 Jupiterradien (einem Jupiterradius entsprechen Abb. 5: Während sich der prinzipielle Aufbau der Magnetosphären von Erde und Jupiter ähnelt, wird die Form der Jupitermagnetosphäre wesentlich durch die schnelle Rotation des Planeten und die Plasmaquelle Io bestimmt. Um den Io-Plasmatorus herum bildet sich die so genannte Plasmaschicht aus, die auf der Nachtseite weit in den Schweif hinausreicht und an der man sowohl die Dipolneigung des Planeten als auch seine schnelle Rotation erkennen kann. Die Magnetosphäre Jupiters ist erheblich größer als diejenige der Erde (links oben). Abb. 6: Dieses Schema illustriert den Aufbau der Saturnmagnetosphäre. Angedeutet ist die Radiostrahlung des Saturn, für deren Entstehung der hier von links anströmende Sonnenwind eine wichtige Rolle spielt. Zudem ist die Bahn von Enceladus zu sehen, dessen Geysire den E-Ring speisen. Reinhold Henkel: nach Nasal Bildgröße: 94 x 78,5 mm: Masse gelten für das große Bild Inset so wie es jetzt ist Bildgröße: 102 x 78,5 mm Reinhold Henkel : nach Margaret G. Kivelson, Science, 311, S (2006) 51

7 Nasa/JPL/SSI Abb. 7: Die Geysire am Südpol von Enceladus sind hier in einer Falschfarbendarstellung mit einem einmontierten Foto des Mondes zu sehen. Die Farben geben unterschiedliche Helligkeiten einer langbelichteten Aufnahme im optischen Bereich wieder Kilometer) wäre sie, könnte man sie sehen, das mit Abstand größte Objekt am Nachthimmel. Je nach Abstand zwischen Erde und Jupiter erschiene sie vier- bis sechsmal so groß wie die Sonne, ihr Schweif ist dabei so lang, dass er noch über die Bahn des Saturn hinaus reicht. Überraschung bei Saturn Als sich Voyager 1 im November 1980 dem Saturn näherte und auch dessen Radiostrahlung vermaß, stellten die Forscher fest, dass diese immer wieder verstummte. Gleichzeitig fanden die Detektoren fast keine Sonnenwindteilchen mehr. Die Erklärung: Saturn befand sich innerhalb des Schweifs der Jupitermagnetosphäre, eine Konstellation, die nur alle zwanzig Jahre eintritt. Saturn strahlt vor allem Radiowellen im Kilometerbereich ab, die als Saturnian Kilometric Radiation oder SKR bezeichnet werden. Bei ihrem Zustandekommen spielen der Sonnenwind und dessen Wechselwirkung mit der Magnetosphäre eine wichtige Rolle. Man könnte vermuten, dass auch die prächtigen Saturnringe die Gestalt seiner Magnetosphäre beeinflussen, doch ist es erneut ein Mond, der eine weitaus wichtigere Rolle spielt (Abb. 6). Erst kürzlich entdeckte die Raumsonde Cassini, dass der kleine Eismond Enceladus auf spektakuläre Weise den E-Ring speist. Der E-Ring ist der äußerste und größte Saturnring, er lässt sich aber wegen seiner geringen Dichte von der Erde aus kaum erkennen. Lange rätselte man darüber, wie sich dieser Ring bilden konnte, denn er besteht aus feinsten Wassereisteilchen, die durch die Sonnenstrahlung und die Saturnmagnetosphäre innerhalb weniger hundert Jahre beseitigt würden. Als Cassini mächtige Geysire am Südpol von Enceladus entdeckte, aus denen Wasserdampf und Eisstaub strömen, war die Quelle entlarvt (Abb. 7). Neben Enceladus stellen auch einige weitere Eismonde Materiequellen für die Saturnmagnetosphäre dar, sodass sich ähnlich wie bei Jupiter eine Plasmaschicht ausbildet. Da Saturn keine nennenswerte Dipolneigung aufweist, ist diese Scheibe, wie auch die gesamte Magnetosphäre erheblich gerader, aber auch ihre Gestalt ist durch die schnelle Rotation des Planeten bestimmt. Wie bei der Erde und bei Jupiter sind auch an den Polen von Saturn Polarlichter zu sehen. Der weitaus größte Saturnmond ist Titan. Er besitzt als einziger Mond unseres Sonnensystems eine dichte Atmosphäre. Hierdurch hinterlässt er auch Spuren in der Magnetosphäre des Saturn, denn entlang seiner Bahn bildet sich ein Torus aus Wasserstoff. Sein Bahnradius ist so groß, dass sich der Mond auf der Tagseite knapp in der Magnetohülle, das heißt außerhalb der Magnetopause befinden kann und dann direkt dem Sonnenwind ausgesetzt ist. Exotische Magnetfelder bei Uranus und Neptun Die ungewöhnlichen Magnetfelder von Uranus und Neptun fielen zuerst bei der Vermessung ihrer Radiostrahlung durch die Voyager-Sonden auf. Wie bei Saturn wird auch diese Strahlung vornehmlich bei Wellenlängen im Bereich von Kilometern ausgesandt. Neben den Magnetfeldern bestimmt die Neigung ihrer Rotationsachsen das Aussehen der Magnetosphären. Im Gegensatz zu den anderen Planeten, bei denen sich im Mittel eine stationäre Struktur einstellt, variiert ihre Gestalt mit der Rotation des Planeten erheblich. Diese zeitlichen Veränderungen sind bei Neptun noch stärker als bei Uranus ausgeprägt, dessen Rotationsachse fast in seiner Bahnebene liegt. Bevor die Dipolneigung von Uranus bekannt war, dachten die Forscher, dass einer der magnetischen Pole zur Sonne zeigen könne, was aber nicht der Fall ist (Abb. 8). Tatsächlich weist aber kurzzeitig immer wieder einer der Magnetpole des Neptun während dessen Rotation zur Sonne (Abb. 9). Die Magnetosphären beider Planeten sind die teilchenärmsten Gebiete im gesamten Sonnensys- 52

8 Bildgröße: 140 x 54,5 mm Abb. 8: Diese schematische Darstellung verdeutlicht die Strukturen der Magnetosphäre von Uranus während einer Rotation des Planeten. Der kreisförmige Pfeil deutet seine fast in der Ekliptik liegende Rotationsachse an, der dicke Pfeil zeigt die jeweilige Richtung der magnetischen Achse an. Sieht man von der zeitlichen Veränderung ab, so ähnelt diese Magnetosphäre mit Plasmasphäre und Plasmaschicht derjenigen der Erde. Abb. 9: Diese beiden Schnappschüsse zeigen die Strukturen der Neptunmagnetosphäre analog zu Uranus in Abbildung 8, zusätzlich ist der Mond Triton eingezeichnet. Ob sich wirklich zeitweilig zwei Plasmaschichten ausbilden, ist noch unklar. Das rechte Bild stellt eine»poleon«-magnetosphäre dar, bei der ein magnetischer Pol, hier der Südpol, zur Sonne zeigt. A. M. Quetz: nach Fran Bagenal, Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 20, S (1992) tem. Ursache dafür sind wir ahnen es schon die Monde. Sie wirken aber diesmal nicht als Teilchenquelle, sondern als»staubsauger«. Sie sammeln alle Teilchen auf, die sie anströmen und fegen somit die Magnetosphären ihrer Planeten leer. Neptun wird vom bemerkenswerten Mond Triton umkreist. Dieser umläuft Neptun nicht nur retrograd auf einer stark geneigten Bahn, sondern auf ihm gibt es Geysire, die kalten Stickstoff ausstoßen. Vermutlich ist ihr Einfluss auf die Magnetosphäre nur gering, mangels genauerer Daten lässt er sich aber nicht näher charakterisieren. Die Magnetosphären der vier äußeren Planeten zählen auch mehr als fünfzig Jahre nach der Entdeckung der Dekameterstrahlung von Jupiter zu den spannendsten und aufregendsten Forschungsgebieten in der Weltraumforschung. Nach dem großen Erfolg der beiden Voyager-Sonden ist dies insbesondere den spektakulären Entdeckungen und Ergebnissen der Missionen Galileo zum Jupiter Bildgröße: 140 x 74,5 mm und Cassini zum Saturn zu verdanken. Zu Uranus und Neptun sind derzeit leider keine Raumsonden geplant. Die Wechselwirkung zwischen Io und Jupiter leitete vor mehr als einem halben Jahrhundert die genauere Erforschung der Gasplaneten ein. Die Radiostrahlung, mit der alles begann, könnte der Schlüssel für die Erforschung ganz anderer Objekte, nämlich der Planeten um andere Sterne, sein. Damit wird ein neues Zeitalter eingeläutet, da sich diese Systeme mit den Mitteln und Erkenntnissen der Heliophysik plasmaphysikalisch näher beschreiben lassen. Jupiter und Io sind daher wichtige Prototypen für das Verständnis planetarer Systeme, sowohl der Himmelskörper in unserem Sonnensystem als auch der Planetensysteme um andere Sterne. Die ersten Schritte sind bereits getan, doch auch in unserem eigenen Sonnensystem bleibt es spannend. A. M. Quetz: nach Fran Bagenal, Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 20, S (1992) Andreas Kopp studierte in Bochum und promovierte 1995 dort über ein Thema aus dem Bereich planetarer Magnetosphären. Anschließend arbeitete er bis 2004 am Max-Planck-Institut für Aeronomie in Katlenburg- Lindau an numerischen Simulationsrechnungen zur magnetischen Wechselwirkung der Monde der Gasplaneten mit deren Magnetosphären, sowie zwischen (extrasolaren) Planeten und der Sonne bzw. ihren Sternen. Seit seiner Rückkehr an die Ruhr-Universität Bochum beschäftigt er sich mit Multi-Fluid-Rechnungen staubiger Plasmen und wird sich ab 2008 in Kiel dem heliosphärischen Plasma zuwenden. 53