Venus: Kohlenstoff-Ionen im Vorbeiflug

Aus der Venus-Atmosphäre entweichen Kohlenstoff-Ionen ins All. Neue Messungen von BepiColombo bestätigen damit einen lang gehegten Verdacht.

Im Vorbeiflug an der Venus hat die europäisch-japanische Doppelraumsonde Bepi Colombo erstmals Kohlenstoff-Ionen gefunden, die aus der Atmosphäre des Planeten ins All entweichen. Davon berichtet eine Forschergruppe unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy. Um auf dem Weg zum Merkur abzubremsen, hatte Bepi Colombo am 10. August 2021 zum zweiten Mal die Venus passiert. Ausgestattet mit Messinstrumenten, die denen früherer Venus-Reisenden überlegen sind, durchflog die Raumsonde dabei eine bisher unerforschte Region auf der Nachtseite des Planeten. Untersuchungen der Ionenverteilung helfen zu verstehen, welche Prozesse die Atmosphäre unseres Nachbarplaneten geformt haben und warum sie sich stark von der Gashülle der Erde unterscheidet. Ideengeber für die neuen Messungen war ein seltenes kosmisches Ereignis, das sich vor 25 Jahren ereignete – und einen Hauch der Venus bis zur Erde brachte.

Eigentlich sollte das Messinstrument MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) den Venus-Vorbeiflug von BepiColombo am 10. August 2021 „verschlafen“. Um auf dem Weg zum Zielplaneten Merkur Flugrichtung und -geschwindigkeit anzupassen, führte die Flugroute der Raumsonde zum zweiten Mal nah an der Venus vorbei. Den wissenschaftlich-technischen Teams der einzelnen Messinstrumente an Bord bieten Stippvisiten dieser Art nicht nur die Gelegenheit, ihr Instrument unter echten Weltraumbedingungen zu testen. Oft enthalten die Messdaten auch wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse. Für MPPE war jedoch nicht mit optimalen Messbedingungen zu rechnen. Während der Anreise zum Merkur fliegen beide Teilsonden von BepiColombo „aufeinandergestapelt“ durchs All; in dieser Konfiguration schränken einige Hardwarekomponenten die Sicht von MPPE ein. Das Instrument sollte ausgeschaltet bleiben.

Forscher des MPPE-Teams drangen dennoch darauf, während des Vorbeiflugs die Verteilung geladener und ungeladener Teilchen in der Umgebung des Planeten so gut es geht zu bestimmen. „Seit mehr als zwei Jahrzehnten treiben uns Messungen der Raumsonde SOHO um“, begründet dies MPS-Wissenschaftler Dr. Markus Fränz, einer der Koautoren der neuen Studie. 1996 entdeckte SOHO in der Nähe der Erde Kohlenstoff-Ionen von der Venus. Damals lag die Erde genau im Sonnenwindschatten der Venus. Unter diesen seltenen Bedingungen konnten Ionen aus der sonnenabgewandten Umgebung der Venus weit ins All vordringen und sogar die Erde erreichen. Vor Ort an der Venus war der Nachweis von Kohlenstoff-Ionen in größerer Entfernung vom Planeten bisher nicht geglückt. „Dem wollten wir unbedingt nachgehen“, so Fränz weiter.

Kein Wasser, schwaches Magnetfeld

Die Forschenden interessiert besonders, warum Venus und Erde seit ihrer Entstehung so unterschiedliche Entwicklungswege eingeschlagen haben und heute völlig verschiedene Bedingungen bieten. Während unser Heimatplanet eine lebensfreundliche Welt mit viel Wasser und sauerstoffreicher Atmosphäre wurde, hat die Venus ihr einstiges Wasser weitestgehend verloren. Der hohe Anteil an Kohlenstoffdioxid in ihrer Lufthülle begünstigt zudem einen extremen Treibhauseffekt und erzeugt so hohe Oberflächentemperaturen von im Schnitt mehr als 450 Grad Celsius. „Die Prozesse, die sich noch heute in der Ionosphäre der Venus abspielen, liefern wichtige Hinweise darauf, wie sich der Planet entwickelt hat“, so MPS-Wissenschaftler und Koautor Dr. Norbert Krupp.

Anders als die Erde erzeugt die Venus in ihrem Innern nicht selbst ein Magnetfeld, das Teilchen aus der Atmosphäre an den Planeten bindet. Die geladenen Teilchen des Sonnenwindes, des stetigen Teilchenstroms von der Sonne, induzieren lediglich ein schwaches Magnetfeld. Leichte oder schnelle Teilchen können deshalb den Einflussbereich des Planeten mühelos verlassen. Schwere Ionen und Moleküle hingegen wie etwa Kohlenstoff-Ionen müssten – wie auch auf der Erde oder dem Mars – eigentlich gebunden bleiben. Oder nicht?

Höhere Auflösung als Vorgänger

Beim Vorbeiflug ist es nun erstmals gelungen, die SOHO-Messungen von 1996 in unmittelbarer Nähe zur Venus zu bestätigen. „Offenbar erhalten Kohlenstoff-Ionen in der Venus-Magnetosphäre genug Energie, um ins All zu entweichen“, fasst MPS-Wissenschaftler und Koautor Dr. Harald Krüger zusammen. Das zeigen Messungen der MPPE-Sensoren Mass Spectrum Analyzer (MSA) und Mercury Ion Analyzer (MIA), die Mitglieder des MPPE-Teams unter Leitung des Pariser Observatoriums heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlichen. Vergleichbare Untersuchungen älterer Venus-Sonden wie etwa Venus Express waren nicht in der Lage gewesen, Kohlenstoff-Ionen von anderen Ionen und Molekülen mit ähnlichen Massen verlässlich zu unterscheiden. Erst die Instrumente von BepiColombo boten dafür jetzt die notwendige Massenauflösung.

„In der Atmosphäre der Venus ist offenbar eine komplexe Atmosphären-Chemie am Werk, die sich von der von Erde und Mars grundlegend unterscheidet“, so Fränz. Neben den Kohlenstoff-Ionen fanden die Forscher*innen zudem etwa dreimal so viele entweichende Sauerstoff-Ionen. Der Überschuss an Sauerstoff-Ionen deutet auf Wasser-Moleküle oder -Ionen als mögliche Quelle hin.

Flugroute durch unerforschtes Gebiet

Beim Vorbeiflug näherte sich BepiColombo der Venus von der Nachtseite. Dort ist die Venus-Magnetosphäre typischerweise schweifförmig langgezogen und ragt weit ins All hinaus. Die aktuellen Messungen gelangen in einem Abstand von etwa 36.000 Kilometern vom Planeten. Diese Region hatte zuvor noch keine andere Weltraummission durchquert: Die Flugbahnen der ESA-Raumsonde Venus Express, die den Planeten ab 2006 etwa acht Jahre lang umrundete, führten auf der Nachtseite des Planeten näher an der Oberfläche vorbei; der in den späten 70er Jahren gestartete Pioneer Venus Orbiter der NASA hielt hingegen einen größeren Abstand.

Weitere Erkenntnisse zu den chemischen Reaktionen, die sich in der Atmosphäre der Venus abspielen, erhoffen sich die Wissenschaftler*innen von künftigen Venus-Besuchern. Auf ihrem sehr langgestreckten Orbit um die Sonne wird die ESA-Raumsonde Solar Orbiter den Planeten in den nächsten Jahren mehrfach passieren; voraussichtlich in den 30er Jahren startet zudem die ESA-Venus-Mission EnVision ins All.

MPS-Beteiligungen

Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung ist an insgesamt vier Instrumenten der Mission BepiColombo beteiligt. Zum Instrumentenpaket MPPE (Mercury Plasma Particle Experiment) haben Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen des Instituts Komponenten des Sensors MSA (Mass Spectrum Analyzer) entwickelt und gebaut. Zudem war und ist das Institut an Venus-Missionen beteiligt. Zu der ESA-Raumsonde Venus Express hatte das Institut das Messinstrument ASPERA-4 (Analyser of Space Plasmas and Energetic Atoms) beigesteuert. Für die künftige ESA-Mission EnVision zur Venus entwickelt das MPS Komponenten des Spektrometers VenSpec.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Markus Fränz
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
E-Mail: Fraenz@mps.mpg.de
Tel.: +49 551 384979-441

Dr. Norbert Krupp
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
E-Mail: Krupp@mps.mpg.de
Tel.: +49 551 384979-154

Dr. Harald Krüger
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
E-Mail: Krueger@mps.mpg.de
Tel.: +49 551 384979-234

Originalpublikation:

L.Z. Hadid, D. Delcourt, Y. Saito, M. Fränz et al.:
BepiColombo observations of cold oxygen and carbon ions in the flank of the induced magnetosphere of Venus
Nature Astronomy, 12. April 2024
DOI: 10.1038/s41550-024-02247-2
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02247-2

https://www.mps.mpg.de/venus-kohlenstoff-ionen-im-vorbeiflug?c=2163