Astronomen begrijpen nu misschien waarom de vergelijkbare planeten Uranus en Neptunus verschillende kleuren hebben. Met behulp van waarnemingen van de Gemini North-telescoop, de infraroodtelescoopfaciliteit van de NASA en de Hubble-ruimtetelescoop hebben onderzoekers één atmosfeermodel ontwikkeld dat overeenkomt met de waarnemingen van beide planeten. Het model onthult dat overtollige nevel op Uranus zich ophoopt in de stagnerende, trage atmosfeer van de planeet en deze een lichtere tint doet lijken dan Neptunus.
Neptunus en Uranus hebben veel gemeen - ze hebben vergelijkbare massa's, afmetingen, en atmosferische samenstellingen - maar toch is hun verschijning opmerkelijk verschillend. Op zichtbare golflengten heeft Neptunus een duidelijk blauwere kleur, terwijl Uranus een bleke cyaankleur heeft. Astronomen hebben nu een verklaring waarom de twee planeten verschillende kleuren hebben. Nieuw onderzoek suggereert dat een laag van geconcentreerde nevel die op beide planeten bestaat, dikker is op Uranus dan een vergelijkbare laag op Neptunus en het uiterlijk van Uranus meer 'wit maakt' dan dat van Neptunus [1]. Als er geen nevel zou zijn in de atmosferen van Neptunus en Uranus, zouden beide bijna even blauw lijken [2].
Deze conclusie komt uit een model [3] dat een internationaal team onder leiding van Patrick Irwin, hoogleraar in de planetaire fysica aan de Universiteit van Oxford, heeft ontwikkeld om aërosollagen in de atmosferen van Neptunus en Uranus te beschrijven [4]. Eerdere onderzoeken van de bovenste atmosferen van deze planeten hadden zich geconcentreerd op het uiterlijk van de atmosfeer bij slechts specifieke golflengten. Dit nieuwe model, dat uit meerdere atmosferische lagen bestaat, komt echter overeen met waarnemingen van beide planeten over een breed golflengtegebied. Het nieuwe model omvat ook waasdeeltjes in diepere lagen waarvan eerder werd gedacht dat ze alleen wolken van methaan en waterstofsulfide-ijs bevatten.
"Dit is het eerste model dat tegelijkertijd past bij waarnemingen van gereflecteerd zonlicht van ultraviolet tot nabij-infrarode golflengten," legt Irwin uit, die hoofdauteur is van een artikel waarin dit resultaat wordt gepresenteerd in het Journal of Geophysical Research: Planets. "Het is ook de eerste die het verschil in zichtbare kleur tussen Uranus en Neptunus verklaart."
Het model van het team bestaat uit drie lagen aërosolen op verschillende hoogtes [5]. De belangrijkste laag die van invloed is op de kleuren is de middelste laag, een laag waasdeeltjes (in het artikel de Aerosol-2 laag genoemd) die dikker is op Uranus dan op Neptunus. Het team vermoedt dat, op beide planeten, methaanijs condenseert op de deeltjes in deze laag, waardoor de deeltjes dieper de atmosfeer in worden getrokken in een regen van methaansneeuw. Omdat Neptunus een actievere, turbulentere atmosfeer heeft dan Uranus, denkt het team dat de atmosfeer van Neptunus efficiënter is in het opjagen van methaandeeltjes in de nevellaag en het produceren van deze sneeuw. Dit verwijdert meer van de nevel en houdt de nevellaag van Neptunus dunner dan op Uranus, waardoor de blauwe kleur van Neptunus sterker lijkt.
"We hoopten dat het ontwikkelen van dit model ons zou helpen om de wolken en nevels in de atmosferen van ijsreuzen te begrijpen," zegt Mike Wong, een astronoom aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en een lid van het team achter dit resultaat. "Het verklaren van het verschil in kleur tussen Uranus en Neptunus was een onverwachte bonus!" Om dit model te maken, analyseerde Irwin's team een reeks waarnemingen van de planeten die ultraviolette, zichtbare en bijna-infrarode golflengten omvatten (van 0,3 tot 2,5 micrometer). 5 micrometer), genomen met de Nabij-Infrarood Integrale Veld Spectrometer (NIFS) op de Gemini Noord telescoop nabij de top van Maunakea in Hawaii - die deel uitmaakt van het internationale Gemini Observatorium, een programma van NSF's NOIRLab - evenals archiefgegevens van de NASA Infrarood Telescoop Faciliteit, ook in Hawaii, en de NASA/ESA Hubble Space Telescoop.
Het NIFS-instrument op Gemini North was bijzonder belangrijk voor dit resultaat omdat het spectra kan leveren - metingen van hoe helder een object is op verschillende golflengten - voor elk punt in zijn gezichtsveld. Dit leverde het team gedetailleerde metingen op van de reflectie van de atmosfeer van beide planeten, zowel over de volledige planeetschijf als over een reeks bijna-infrarode golflengten.
"De Gemini-observatoria blijven nieuwe inzichten verschaffen in de aard van onze planetaire buren," zegt Martin Still, Gemini-programmamedewerker bij de National Science Foundation. "In dit experiment heeft Gemini North een component geleverd binnen een reeks grond- en ruimtefaciliteiten die cruciaal zijn voor de detectie en karakterisering van atmosferische nevels."
Het model helpt ook de donkere vlekken te verklaren die af en toe zichtbaar zijn op Neptunus en minder vaak op Uranus. Hoewel astronomen al op de hoogte waren van de aanwezigheid van donkere vlekken in de atmosferen van beide planeten, wisten ze niet welke aërosollaag deze donkere vlekken veroorzaakte of waarom de aërosolen in die lagen minder reflecterend waren. Het onderzoek van het team werpt licht op deze vragen door aan te tonen dat een verduistering van de diepste laag van hun model donkere vlekken zou veroorzaken die vergelijkbaar zijn met die welke op Neptunus en misschien Uranus worden gezien.
Noten:
[1] Dit wittere effect is vergelijkbaar met hoe wolken in de atmosfeer van exoplaneten kenmerken in de spectra van exoplaneten afstompen of 'afvlakken'.
[2] De rode kleuren van het zonlicht dat door de nevel en luchtmoleculen wordt verstrooid, worden meer geabsorbeerd door methaanmoleculen in de atmosfeer van de planeten. Dit proces - dat Rayleigh-verstrooiing wordt genoemd - is wat de lucht hier op aarde blauw maakt (hoewel in de atmosfeer van de aarde het zonlicht meestal door stikstofmoleculen wordt verstrooid in plaats van door waterstofmoleculen). Rayleigh-verstrooiing treedt vooral op bij kortere, blauwere golflengtes.
[3] Een aërosol is een suspensie van fijne druppeltjes of deeltjes in een gas. Veel voorkomende voorbeelden op aarde zijn mist, roet, rook en nevel. Op Neptunus en Uranus zijn deeltjes die ontstaan door de wisselwerking tussen zonlicht en elementen in de atmosfeer (fotochemische reacties) verantwoordelijk voor de nevel van aërosolen in de atmosferen van deze planeten.
[4] Een wetenschappelijk model is een rekenkundig hulpmiddel dat door wetenschappers wordt gebruikt om voorspellingen over een verschijnsel te testen die in de echte wereld onmogelijk te doen zouden zijn.
[5] De diepste laag (in het artikel de Aerosol-1-laag genoemd) is dik en bestaat uit een mengsel van waterstofsulfide-ijs en deeltjes die ontstaan door de wisselwerking van de atmosferen van de planeten met zonlicht. De bovenste laag is een uitgebreide nevellaag (de Aerosol-3-laag) die vergelijkbaar is met de middelste laag, maar ijler is. Op Neptunus vormen zich ook grote methaanijsdeeltjes boven deze laag.
Bron: NSF’s NOIRLab
