Blitze auf Planeten mit Schwerpunkt auf Saturn

Gewitterstürme spielen eine wichtige Rolle in den Atmosphären verschiedenster Planeten. Blitze beeinflussen die Chemie der Atmosphäre indem sie Energie zur Erzeugung bestimmter Moleküle lieferen, welche vielleicht sogar für die Evolution des Lebens von Bedeutung waren. Wie auf der Erde, scheinen Blitze auch auf den Gasplaneten ein guter Indikator für das Vorhandensein von vertikaler Konvektion zu sein, was uns einen Blick in tiefere Schichten der Atmosphären ermöglicht. Das Studium der jahreszeitlichen Veränderungen in der Saturnatmosphäre inklusive der Beobachtung von riesigen Gewitterstürmen ist für die NASA ein wichtiges wissenschaftliches Ziel für die restliche Cassini-Mission, die noch bis 2017 dauern wird. Die Forschungen dieses Projektantrages konzentrieren sich auf die Blitzentladungen in den Gewittern am Saturn. Dafür sollen hauptsächlich die Daten des Cassini Radio- und Plasmawellen Instruments RPWS verwendet werden, die dem Projektantragsteller als "Co- Investigator" zur Verfügung stehen. RPWS detektiert die Radiowellen der Saturnblitze, die kurz auch als SEDs (Saturn Electrostatic Discharges = Saturn`s elektrostatische Entladungen) bezeichnet werden. Die zahlreichen internationalen Kooperationen mit 11 Partnern von 7 verschiedenen Instituten sollen sicherstellen, dass die SED Messungen in einen breiten Kontext gestellt werden: Es werden Vergleiche mit optischen Beobachtungen der Stürme und ihrer Dynamik, mit Messungen von SEDs mit großen Radioteleskopen auf der Erde, und mit Blitzen von anderen Planeten angestellt werden. Weiters gibt es Modelle für die Radiowellenausbreitung der SEDs und Modelle zur Ionosphäre von Saturn, deren Gültigkeit mit Hilfe der SED Daten überprüft werden können. Im Zuge des beantragten Dreijahresprojekts wird die Blitzaktivität auf Saturn ständig erfaßt werden, und die wichtigsten physikalischen Eigenschaften der Blitze werden bestimmt. Ein Hauptpunkt ist dabei das zeitliche Verhalten von Saturnblitzen: Die kurzen Blitzentladungen im Millisekundenbereich werden dabei ebenso untersucht wie die Variation der Intensität der Gewitter über Tage und Wochen, als auch der Einfluß der Jahreszeit. Die jahreszeitlichen Änderungen der Saturnatmosphäre spielen dabei eine Hauptrolle, jedoch könnte es noch weitere Einflüsse (z.B. Sonnenaktivität) geben, die noch zu untersuchen sind. Ein weiterer Hauptpunkt ist die Ausbreitung der SED Radiowellen durch die Ionosphäre des Saturn womit die Absorption und die Elektronendichten der Ionosphäre bestimmt werden können. Dieses Projekt soll eine Weiterführung eines vorherigen FWF-Projekts mit dem Titel "Atmosphärische Elektrizität im Saturnsystem" darstellen. Letzteres führte als "Highlight" zu einer Publikation in der Fachzeitschrift Nature inklusive eines Bildes eines Saturnsturms am Cover.

Das Projekt 'Blitze auf Planeten mit Schwerpunkt auf Saturn' hat zu neuen Erkenntnissen über den großen weißen Fleck (engl. Great White Spot = GWS) geführt, einem riesigen Gewittersturm, der in der Nordhemisphäre des Saturn von Dezember 2010 bis August 2011 tobte. Ebenso erforschten wir die kleineren Gewitterstürme auf der Südhemisphäre, die von 2007 bis 2010 stattfanden. Der GWS hatte eine Ausdehnung von 10.000 km in der Breite und entwickelte einen nach Osten gerichteten Wolkenschweif der schließlich den ganzen Saturn umrundete. Ausbruch, Verlauf und Verschwinden des Sturms wurden durch Vergleich von Fotos mit der Blitzrate erforscht. Die Kollision eines großen antizyklonischen Wirbels, der sich im Schweif gebildet hatte, mit der sog. Kopfregion des Sturmes führte zu einem starken Rückgang der Blitzaktivität, die schließlich 2 Monate später endete. Die meiste Blitzaktivität fand in der Kopfregion statt, jedoch zeigten sowohl die RPWS Daten als auch die erstmalige Detektion von optischem Blitzlicht auf der Tagseite von Saturn, dass es weitere Gewitterzellen auch im Schweif des Sturmes gab. Wir entdeckten, dass die Rotationsrate von Saturn-Kilometerstrahlung (SKR) während des Auftreten des GWS um ~0.5% langsamer war und publizierten die umstrittene Theorie, dass die Rotationsrate in der Tat vom GWS beeinflusst wurde. Die SKR wird von rotierenden Stromsystemen erzeugt, die in der Thermosphäre der Aurora verankert sind. Der vorgeschlagene Mechanismus funktioniert über Schwerewellen, die vom GWS erzeugt werden und planetenweite Änderungen der Winde in der Thermosphäre verursachen, die wiederum die Rotationsrate des Stromsystems bestimmen. In einer statistischen Analyse der Blitze von den kleineren Stürmen (Durchmesser ~2000 km) aus der sog. 'Sturmallee' bei 35Süd bestimmten wir Intensität, Polarisation, und Rate der Blitze. Wegen der schnellen Rotation von Saturn in Bezug auf Cassini treten die Blitze in Episoden auf, und wir ermittelten die Wiederholungsrate der Episoden (~10 h 40 min.) und deren Dauer (im Schnitt 5-6 h). Wir identifizierten Blitze in kurzen Episoden vor als auch nach den Hauptepisoden, die durch einen Ausbreitungseffekt der Radiowellen erklärt werden können, wo Blitze detektiert werden auch wenn sich der Sturm außerhalb des sichtbaren Horizonts befindet. Wir analysierten die Dynamik der Saturngewitter und fanden heraus, dass sie sich auch teilen können, ähnlich zu sog. Superzellen auf der Erde. Unsere ständige Beobachtung der Saturnblitze, die vom RPWS (engl. Radio and Plasma Wave Science) Instrument an Bord der Raumsonde Cassini gemessen wurden, hat nur geringe, sporadische Blitzaktivität nach dem GWS ergeben, und zwar im April und Juli 2012 und von Juli bis Oktober 2013.