Warum Merkur nicht der heißeste Planet des Sonnensystems ist

Im großen Schema des Sonnensystems ist die größte Energiequelle bei weitem die Sonne. Während Radioaktivität und Gravitationskontraktion den Kernen massereicher Planeten eine beträchtliche Menge an Energie liefern könnten, ist das Licht und die Wärme, die von unserem Mutterstern emittiert werden, überwiegend für die Oberflächentemperatur eines Planeten verantwortlich. In hervorragender Näherung hält die Sonne nicht nur die Erde, sondern alle Planeten auf einer Temperatur, die weit über der Temperatur liegt, die sie ohne sie hätte: nur wenige Kelvin. (Ohne eine externe Wärmequelle würden sich die meisten Planetentemperaturen bei -270 ° C / -455 ° F ausgleichen.) Tagsüber absorbieren die Planeten Energie von der Sonne, aber sowohl tagsüber als auch nachts strahlen sie Energie zurück in den Weltraum. Aus diesem Grund erwärmen sich die Temperaturen tagsüber und kühlen sich nachts ab, was für jeden Planeten gilt, der sowohl eine Tag- als auch eine Nachtseite hat. Wir erwarten auch Jahreszeiten – kühle und warme Zeiten – basierend auf der elliptischen Umlaufbahn eines Planeten und seiner axialen Neigung.

Aber wenn die verschiedenen Orbitalparameter eines Planeten die einzigen Dinge wären, die die Temperatur bestimmen, dann wäre der Planet, der der Sonne am nächsten liegt, unweigerlich der heißeste, und sie würden alle progressiv kühler werden, wenn wir uns immer weiter entfernen. Vielleicht würde ein Gasriese, der groß genug war, um einen signifikanten Teil seiner eigenen Wärme zu erzeugen, diese Reihenfolge ändern (wenn Jupiter und Neptun getauscht würden, könnte dies der Fall sein), aber im Allgemeinen würden wir erwarten, dass die Temperatur eines Planeten proportional zu seiner Entfernung von der Sonne sinkt. Wir können diese Erwartung überprüfen, indem wir beim innersten Planeten beginnen und uns nach außen arbeiten.

Quecksilber ist heiß. Wenn wir quantitativ sind, ist es tatsächlich extrem heiß! Als sonnennächster Planet vollendet er eine Umlaufbahn in nur 88 Erdentagen und erreicht an seinen heißesten äquatorialen Standorten tagsüber eine maximale Temperatur von satten 700 Kelvin (427 ° C / 800 ° F). Merkur dreht sich sehr langsam, so dass seine Nachtseite eine lange Zeit im Dunkeln verbringt, abgeschirmt von der Sonne; In diesen Zeiten sinkt es auf nur 100 Kelvin (-173 ° C / -280 ° F). Diese niedrige Temperatur ist unglaublich kalt und viel kälter als alle bekannten natürlich vorkommenden Temperaturen hier auf der Erde. Das ist die Geschichte des sonnennächsten Planeten: Merkur.

Was ist mit dem nächsten: Venus?

Venus ist im Durchschnitt etwa doppelt so weit von der Sonne entfernt wie Merkur und benötigt etwa 225 Erdtage, um die Sonne zu umkreisen. Es dreht sich auch noch langsamer als Merkur und verbringt mehr als 100 aufeinanderfolgende Erdentage gleichzeitig im Sonnenlicht und dann die gleiche Zeit in der Dunkelheit. Und doch, wenn Sie die Temperatur der Venus messen, gibt es eine Überraschung: Venus ist die gleiche Temperatur zu allen Zeiten, Tag und Nacht, bei einem Durchschnitt von 735 Kelvin (462 ° C / 863 ° F), so dass es noch heißer als Merkur!

Dieses seltsame Ereignis hat die Astronomen nicht nur verwirrt, als sie es zum ersten Mal entdeckten; es hat sie beschämt! Die Venus war nicht groß genug, um ihre eigene Wärme zu erzeugen, und doch war sie um venusische Mitternacht heißer als um Mercurian High Noon. Dies war eine Beobachtung, die nach einer Erklärung schrie, und so begannen wir, die beiden innersten Planeten zu kontrastieren.

Vergleicht man diese beiden Welten, gibt es vier sehr starke Unterschiede:

1. Merkur ist viel kleiner als Venus,
2. Merkur ist etwa doppelt so nah an der Sonne wie Venus,
3. Merkur ist viel weniger reflektierend als Venus und
4. Merkur hat keine Atmosphäre, während Venus eine sehr dicke Atmosphäre hat.

Was die Absorption und Abstrahlung von Wärme betrifft, stellt sich heraus, dass die Größe keine große Rolle spielt. Planeten absorbieren Sonnenlicht basierend auf ihrer Querschnittsfläche – proportional zu ihrem Radius im Quadrat – und strahlen es in genau demselben Verhältnis ab. Wenn Merkur doppelt so groß wäre wie die Venus oder halb so groß wie die Venus, hätte keiner von beiden eine nennenswerte Temperaturänderung. Dieser Unterschied ist völlig irrelevant.

Die Tatsache, dass die Venus fast doppelt so weit von der Sonne entfernt ist, spielt jedoch eine große Rolle. Jedes Objekt, das doppelt so weit von der Sonne entfernt ist, erhält nur ein Viertel der Sonnenenergie pro Flächeneinheit, was bedeutet, dass Merkur auf jedem Teil seiner Oberfläche etwa viermal so viel Energie erhält wie Venus. Während sich das Licht der Sonne durch den Weltraum ausbreitet, fängt eine weiter entfernte Welt immer weniger Energie ab. Dies ist der große Vorteil von Merkur, der im Vergleich zur Venus fast das Vierfache des Flusses pro Quadratmeter erreicht. Und doch ist die Venus immer noch heißer, was uns sagt, dass mit einem der beiden anderen Punkte noch etwas wichtiges passieren muss.

Wie reflektierend oder absorbierend ein Objekt ist, wird als Albedo bezeichnet, was vom lateinischen Wort albus kommt, was Weiß bedeutet. Ein Objekt mit einer Albedo (Bond-Albedo, für die Geophysiker) von 0 ist ein perfekter Absorber, während ein Objekt mit einer Albedo von 1 ein perfekter Reflektor ist. In Wirklichkeit haben alle physischen Objekte eine Albedo zwischen 0 und 1. Der Mond zum Beispiel scheint eine ziemlich hohe Albedo für unsere Augen zu haben, mit einem weißen Aussehen während des Tages und der Nacht.

Lass dich nicht von der weißen Erscheinung des Mondes täuschen! Die durchschnittliche Albedo des Mondes beträgt nur etwa 0,12, was bedeutet, dass nur 12% des Lichts, das auf ihn trifft, reflektiert werden, während die anderen 88% absorbiert werden. Je niedriger die Albedo eines Objekts ist, desto besser absorbiert es Licht, was bedeutet, je höher die Albedo ist, desto weniger Sonnenlicht wird tatsächlich absorbiert. Merkur ähnelt mit 0,119 dem Mond, während die Albedo der Venus mit 0,90 die mit Abstand höchste aller Planetenkörper im Sonnensystem ist. Merkur erhält also nicht nur viermal so viel Energie pro Flächeneinheit, sondern absorbiert auch fast neunmal so viel Sonnenlicht wie Venus!

Wenn Sie jedoch zwei Nahaufnahmen der jüngsten Transite von Merkur (letzten Monat) und Venus (2012) sehen würden, würden Sie feststellen, dass sich die Sonne um die Venus zu „krümmen“ scheint, während es keinen solchen Effekt auf Merkur gibt. Dies liegt am vierten und wichtigsten Unterschied zwischen den beiden Welten: Merkur hat keine Atmosphäre, während Venus eine sehr dicke hat.

Merkur und Venus absorbieren nicht nur Licht von der Sonne; Jeder Planet strahlt diese Energie dann als Wärme zurück in den Weltraum. Für luftloses Quecksilber geht die gesamte Wärme sofort zurück in den Weltraum. Aber auf der Venus ist die Geschichte anders. Jedes Quantum Infrarotstrahlung – die wieder abgestrahlte Wärme – muss durch diese dicke, dicke Atmosphäre gelangen, was schwierig ist.

Die Venus besitzt nicht nur eine Atmosphäre, die um ein Vielfaches dicker ist als die der Erde und mit riesigen Mengen infrarotabsorbierender Gase wie Kohlendioxid beladen ist, sondern sie ist auch in unglaublich dicke Schichten hochreflektierender Wolken gehüllt. Dieser Schwefelsäurehebel, der sich über eine Dicke von mehr als 20 km erstreckt, umgibt den Planeten mit Geschwindigkeiten von 210 bis 370 km / h, fängt den größten Teil der abgestrahlten Wärme ein und überträgt sie auf den gesamten Planeten. Die langen Nächte bieten kein Entkommen vor der Hitze, da die einschließenden und thermalisierenden Effekte der Wolkenschichten die Oberfläche der Venus auf einer unwirtlich hohen Temperatur halten, so sehr, dass, wenn man die Betriebszeit jedes Landers, der jemals auf der Oberfläche der Venus landete, addiert, es nicht einmal einen halben Erdentag betragen würde.

Aber in den richtigen Mengen kann atmosphärisches Wärmefangen das Beste sein, was einer Welt jemals passiert ist. Ohne die Erdatmosphäre wäre die mittlere Temperatur auf unserem Planeten dürftige 255 Kelvin (-18 ° C / -1 ° F) oder ungefähr die Temperatur des antarktischen Kontinents. Die deckenartige Wirkung der Wolken und atmosphärischen Gase hebt das Klima unseres Planeten in die gemäßigte Zone, in der das Leben, wie wir es kennen, so lange gediehen ist. Doch zu Beginn der Geschichte des Sonnensystems, mit einer kühleren Sonne und einer viel dünneren Atmosphäre, war die Venus wahrscheinlich ähnlich temperiert wie die Erde heute. Es hatte wahrscheinlich das gleiche Potenzial für Leben und biologische Prozesse, aber eine außer Kontrolle geratene Katastrophe schuf das permanente Inferno, das unsere Schwesterwelt seit Milliarden von Jahren bewohnt.

Während der Erde nicht das gleiche Schicksal droht, ist die Venus sowohl die heißeste Welt in unserem Sonnensystem als auch eine warnende Geschichte eines außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekts. Wenn wir die Prozesse, die das Klima und die Temperatur der Erde bestimmen, besser verstehen, liegt es in unserer Verantwortung, unseren Planeten in die richtige Richtung zu lenken. Die Verbindung zwischen der Sonne, der Atmosphäre und dem Schicksal des Planeten ist auf jeder Welt in unserem Sonnensystem geschrieben. Es liegt an der Menschheit, diese Lektionen zu lernen und zu entscheiden, was wir als nächstes tun.