Der Uranus

Der erste Gott

Mit einem Besuch des Planeten Uranus wagen wir uns nun schon recht weit ins äußere Sonnensystem vor. Immerhin ist Uranus im Mittel 2,871 x 10⁹ [km] von der Sonne entfernt.

Uranus ist der römische Name für Uranos (griech., "Himmel"). Er ist der Erstgeborene und spätere Gemahl der Gaia (die Erde), zeugt mit ihr die Titanen, die ersten drei Kyklopen und einige andere Sagengestalten. Während Gaia die Erde symbolisiert steht Uranos für den Himmel, er stellt den ersten Himmelsgott dar. Auf seine Kinder war er verhasst und er verbannte sie in die Tiefe der Erde. Auf Rat ihrer Mutter rächten sie sich, indem Gaia Kronos, dem jüngsten Titanen eine riesige Sichel gab, mit welcher er Uranos entmannte. Aus dem Blut, das ins Meer fiel, entstand Aphrodite, das aufs Land gefallene brachte unter anderem die Furien und die Giganten hervor.

Uranus wurde offiziell am 13. März 1781 von Wilhelm Herschel als Planet entdeckt, sicherlich wurde er jedoch auch schon davor beobachtet, liegt seine Helligkeit doch gerade an der Sichtbarkeitsgrenze (5^m7 in Opposition). Herschel entdeckte erst im Alter von 35 Jahren sein Interesse für die Astronomie. Alsbald baute er das bis dahin beste Teleskop seiner Zeit. Zuerst untersuchte er den Orion- Nebel und entdeckte 1781 ein Objekt, das er zunächst als Kometen einstufte, was sich jedoch als Uranus entpuppte. Sein Interesse galt den Objekten der Messier- Liste, wobei er dank seiner hervorragenden Instrumente viele der dort genannten "Nebel" in Einzelsterne auflösen konnte. Auch konnte er Doppelsterne als zusammengehörige Systeme identifizieren.

Weitere Informationen zu diesem außergewöhnlichen Talent: http://de.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Herschel.

Mit seinem Durchmesser von 51 118 [km] ist Uranus der drittgrößte Planet des Sonnensystems. Aufgrund seiner geringen Dichte von 1,27 [g cm^-3] und seiner Größe ist auch dieser Planet in die Reihe der iovianischen, jupiterähnlichen Planeten aufzunehmen. Er weist ebenfalls eine dicke, -193 [°C] kalte Atmosphäre auf, ist aber doch überwiegend aus Eis und Gesteinen aufgebaut. Wir sehen eine Aufnahme von Voyager 2 aus dem Jahr 1986. Typisch für Uranus ist die hellblaue Färbung, die durch Absorption des roten Lichtanteils durch Methan in der erstaunlich klaren Atmosphäre verursacht wird.

Mit freundlicher Genehmigung von Voyager 2 Team, NASA

Rotation und Bahn

Uranus umkreist unsere Sonne in einem Abstand von im Mittel 2 872 460 000 [km]. Er legt dabei in einer Sekunde 6,81 [km] zurück, bei einer solchen Bahngeschwindigkeit braucht er für einen Umlauf rund 84 Jahre. Der Uranustag hat eine Länge von 17 Stunden und 14 Minuten, womit der Planet am Äquator mit 8971,5 [km/h] rotiert. Er "tickt" allerdings nicht ganz richtig: Bei allen anderen Planeten des Sonnensystems steht die Rotationsachse mehr oder weniger senkrecht auf der Ekliptik. Die Achse des Uranus ist jedoch um rund 97° gekippt, sie verläuft also fast parallel zur Lage der Umlaufbahn. Man führt diese Tatsache darauf zurück, dass der Planet irgendwann von einem sehr großen Körper getroffen wurde, dessen Einschlag stark genug war, die Rotationsachse zu kippen. Was aber folgt daraus? Nun, man sollte erwarten, dass die der Sonne zugewandte Polregion im Gegensatz zu allen anderen Planeten das wärmste Gebiet des Planeten ist. Das ist jedoch ein Irrtum, wie sonst üblich, ist auch bei Uranus die Äquatorregion die wärmste Zone. Der Grund hierfür ist bis heute nicht verstanden. Leider gab es bis jetzt auch nur den Besuch einer einzigen Raumsonde, Voyager 2, so dass Uranus sicherlich noch so manches Geheimnis verbirgt. Aufgrund der Achsenneigung von 97,77° geht man davon aus, dass die Rotation gegenläufig (retrograd) verläuft. Man darf darüber streiten, welcher von beiden Polen der Nord- oder Südpol ist. Weil Uranus sich aufgrund der stark geneigten Rotationsachse quasi auf seiner Bahn abrollt, ist nach einem halben Umlauf einmal der Nordpol, dann wieder der Südpol der Sonne zugewandt. So ist dann auch der Polartag jeweils fast ein halbes Uranusjahr lang, während auf dem abgewandten Pol in diesem Zeitraum Polarnacht herrscht.

Atmosphäre und Aufbau

Uranus besteht größtenteils aus Eis und Gesteinen. Seine blaue Farbe verdankt er wie schon gesagt dem Gehalt von rund 2,3 % an Methan, denn dieses Gas absorbiert die roten Anteile des Sonnenlichts. Hauptbestandteil ist allerdings wie bei seinen großen Brüdern Jupiter und Saturn Wasserstoff, der einen Anteil von etwa 82 % beansprucht. An die 15 % Helium vervollständigen die Atmosphäre, wobei aber Spuren von Deuterium (etwa 150 ppm), Acetylen und anderen Kohlenwasserstoffen nicht ungenannt sein sollen. Die beobachtbare Temperatur beträgt kalte 80 [K]. Mit Hilfe des Hubble- Teleskops wurden Wolken gesichtet, die bis zu 29 000 [km] ausgedehnt waren. Sie bestehen vermutlich aus Methaneis und bewegen sich innerhalb der Atmosphäre in einem Bereich mit -190 [°C]. Dunst in Form von Nebelschwaden werden etwa 40 [km] höher gesichtet, hier in der Tropopause herrschen -220 [°C]. Der Nebel könnte aus Acetylen oder Ethan bestehen. Über der Tropopause erstreckt sich eine ausgedehnte Wasserstoffhülle. Mit zunehmender Höhe steigen die Temperaturen wieder an, man hat Werte bis zu 470 [°C] gemessen.

Auf den Bildern, die Voyager 2 aufnehmen konnte, waren kaum Strukturen zu erkennen. Wir vermissten das streifenförmige Erscheinungsbild des Jupiters oder Saturns. Neuere Hubble- Aufnahmen zeigten dennoch schwache Streifen, Wolkenbänder, die mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 570 [Km/h], ja manchmal sogar 720 [Km/h], in den mittleren Breiten mit der Rotationsrichtung vorangetrieben werden. In den äquatorialen Zonen laufen entgegengesetzte Winde mit etwa 360 [Km/h]. Hier sehen wir in bemerkenswerten Aufnahmen des Keck- Teleskopes von 2004 auffällige Details auf 2 entgegengesetzten Seiten des Planeten. Auch erkennen wir, dass dieser Gasplanet ebenfalls ein Ringsystem aufweist.

Mit freundlicher Genehmigung von Lawrence Sromovsky, (Univ. Wisconsin-Madison), Keck Observatory

Über den inneren Aufbau des Planeten Uranus wissen wir herzlich wenig. Seine Struktur können wir lediglich aus den bekannten Daten wie Radius, Masse, Rotation, Gravitation sowie dem Verhalten von Wasserstoff, Helium und Wasser unter hohen Drucken ableiten. Dieser Schnitt durch den Planeten zeigt uns eine äußere Hülle, bestehend aus molekularem Wasserstoff, Helium und Methan. Sie wird grob geschätzt etwa die Masse von ein oder zwei Erdmassen aufweisen. Darunter könnte sich ein (flüssiger!) Mantel befinden, der überwiegend aus Wasser, Methan, Ammoniak und weiteren Bestandteilen zusammengesetzt ist.

Die Verbindungen stehen unter sehr hohem Druck und hoher Temperatur, umso mehr, je tiefer sich der Mantel erstreckt. Die Verbindungen sind möglicherweise ionisiert, man spricht hier deshalb auch vom Ionenozean. Die Masse des Mantels wird etwa 10 bis 15 Erdmassen betragen. Allerdings wird diese Schicht neuerdings wieder in Frage gestellt (solarviews). Höchstens eine Erdmasse schwer ist der innere Kern, der aus Eis mit gesteinsartigen Beimengungen bestehen dürfte. Möglicherweise existiert auch kein schalenartiger Aufbau wie hier gezeigt, sondern es gibt nur ein durchgehendes Gemisch. Im nebenstehenden Bild sind dennoch nochmals detailliertere Angaben zum vermuteten Aufbau und den physikalischen Verhältnissen aufgezeigt.

Wie es sich für einen Planeten dieser Größe gehört, weist Uranus auch ein Magnetfeld auf. Bei diesem ungewöhnlichen Planeten wird es allerdings nicht wie üblich tief im Innern erzeugt, sondern vermutlich irgendwo in den äußeren Schichten. Sonderbarerweise ist das Magnetfeld sogar um etwa 60° gegen die Rotationsachse geneigt. Nahe liegend würde man zunächst vermuten, dass dies in der ungewöhnlichen Lage der Rotationsachse begründet ist. Da jedoch auch Neptun, der Nachbarplanet des Uranus, ein ähnlich verschobenes Magnetfeld aufweist, tappt man bezüglich der Ursache noch völlig im Dunkeln. Zunächst vermutete man, dass das Magnetfeld möglicherweise durch flüssiges, ionisiertes Wasser mit Ammoniakbeimengungen in nicht allzu großer Tiefe erzeugt wurde. Weil man aber davon ausgeht, dass diese Schicht gar nicht existiert, ist die Ursache des Magnetfeldes also noch völlig unbekannt. Sie muss aber auf Bewegungen innerhalb des Planeten basieren. Die durch das Magnetfeld erzeugte Magnetosphäre ist hinter Uranus durch seine Rotation bedingt spiralartig ineinander verzwirbelt. Auf der sonnenzugewandten Seite erstreckt sich das Feld etwa 10 Uranusradien weit in den Raum, in der Gegenrichtung wird es viel ausgedehnter sein.

Ringsystem

Die Ringe des Uranus wurden schon im Jahr 1977 von der Erde aus durch eine Sternbedeckung entdeckt. Doch erst 1986 gelang es mit Voyager 2 das Ringsystem genauer zu inspizieren.

Wir sehen eine der Voyager- Aufnahmen aus einer Distanz von 233 000 [km]. Wie die anderen Gasplaneten hat auch Uranus ein ausgeprägtes Ringsystem, das sich jedoch von den anderen unterscheidet. Allein die Albedo von nur 0,03 lässt erahnen, wie dunkel das Gebilde in Wirklichkeit ist, nämlich etwa so wie ein Stück Holzkohle. Die 10 Hauptringe bestehen aus Teilchen von Staubgröße bis hin zu Brocken von einigen Metern Durchmesser. Die Breite der Ringe liegt meist bei 3 [km], beim äußersten Ring variiert sie zwischen 20 und 100 [km]. Das Ringmaterial dürfte hauptsächlich aus gefrorenen Kohlenstoffverbindungen bestehen, die aus Methan hervorgegangen sind. Neben den Hauptringen existieren noch weitere "Ringelchen", möglicherweise auch nur bruchstückhaft. Unbekannt ist bisher, weshalb die Ringe so schmal sind sowie ihre z.T. scharfe Abgrenzung. Im Zaum gehalten wird nur der äußere (ε-) Ring durch zwei Schäferhund- Monde, Cordelia (1986U7) und Ophelia (1986U8). Die Ringe befinden sich in einem Abstand, vom Planetenzentrum aus gesehen, zwischen 38 000 und 51 140 [km] und haben dabei eine Dicke von gerade 100 [m].

Uranusmonde

Der erste größere und bekannte Mond des Uranus, sofern man bei einem Durchmesser von etwa 470 [km] von Größe sprechen kann, ist die Miranda.

Miranda war die Tochter des Prospero, ein Magier in Shakespeares "Der Sturm".

Miranda ist nicht gerade der größte Mond des Uranus, doch ist sie derjenige, dem Voyager 2 am nächsten kam. Die Sonde sollte ja auch zum Neptun fliegen und benutzte deshalb Uranus als Gravitationsschleuder, um also tüchtig Schwung zu holen. Dabei kam sie Uranus und in diesem Fall Miranda sehr nahe. Die Oberfläche dieses Mondes findet kein vergleichbares Gegenmuster im Sonnensystem. Canyons von unglaublichen 20 [km] Tiefe, große flache Ebenen und abwechselnd alte und neue geografische Formationen prägen Mirandas Gesicht.

Der ganze Mond ist - wie zu erwarten - von Kratern überzogen. Früher einmal nahm man an, dass Miranda mehrmals zertrümmert wurde und die Bruchstücke sich doch wieder zusammensetzten. Aufgrund der geringen Dichte von nur 1,15 [g cm^-3] geht man aber heute davon aus, dass die neueren Formationen der Oberfläche durch geschmolzenes Eis aus dem Inneren hervorgerufen wurden, beispielsweise bei Einschlägen größerer Körper. Die seltsame, breitbandige Formation rechts im oberen Bild besteht aus vielen, parallel verlaufenden Tälern und Bergketten. Der größte Krater weist einen Durchmesser von 30 [km] auf, die übrigen liegen häufig zwischen 5 und 10 [km]. Im Bild sehen wir eine Gegend, die man seltsamerweise Chevron getauft hat ("Rangabzeichen"). Man sieht Details bis herab zu etwa 600 [m] Ausdehnung. Es ist eine der schärfsten Aufnahmen der gesamten Voyager- Mission.

Weitere Informationen:
http://www.solarviews.com/germ/miranda.htm

In 191 240 [km] Abstand von Uranus stoßen wir auf den nächsten größeren Mond, Ariel. Er wurde wie Miranda schon 1851 entdeckt (Lassell).

Ariel, ein Engel, heißt auf hebräisch "Feuerherd Gottes", ist ein bösartiger Luftgeist aus Shakespeares The Tempest, taucht ebenso in Goethes Faust auf und ist heute ein Waschmittel.

Mit einem Durchmesser von 1158 [km] gehört Ariel ebenfalls zu den kleineren Monden im Sonnensystem, ist aber durch seine Albedo von 0,34 der hellste der Uranusmonde. Der größte Teil der Ariel- Oberfläche ist von Kratern überzogen, die meist einen Durchmesser zwischen 5 und 10 [km] aufweisen. In der nebenstehenden Aufnahme sind sie nahe der Sichtbarkeitsgrenze. Tiefe, Hunderte von Kilometern lange Täler und Verwerfungen durchziehen die pockennarbige Oberfläche. Man glaubt, dass die bis zu 10 [km] tiefen Täler durch Expansionen und Kontraktionen der Ariel- Oberfläche hervorgerufen wurden. Viele der Schluchten sehen so aus, als wären sie einmal von Flüssigkeiten durchspült und geglättet worden. Das kann jedoch kein Wasser gewesen sein, denn das ist bei den extrem tiefen Temperaturen stets steinhart gefroren. Doch Ammoniak, Methan oder Kohlenmonoxid könnten hier durchaus in flüssiger Form aufgetreten sein.
Da auch Ariel nur eine Dichte von 1,56 [g cm^-3] aufweist, besteht er wie die anderen größeren Uranusmonde zu etwa 40 bis 50% aus Wassereis, der Rest dürfte sich aus Gestein und anderen Verbindungen zusammensetzen.

Weitere Informationen:
http://www.solarviews.com/germ/ariel.htm

Als nächsten Mond im Uranus- System stoßen wir auf den dunkelsten der größeren Monde, Umbriel. Er umläuft seinen Planeten in 265 970 [km] Abstand, hat einen Durchmesser von 1170 [km] und eine Albedo von nur 0,18.

Umbriel ist ein melancholischer Geist im Roman "The Rape of the Lock" von Alexander Pope

Auch Umbriel wurde im Jahr 1851 durch Lassell entdeckt. Der Mond ist ebenso groß wie Ariel und weist auch die gleiche Dichte und damit Zusammensetzung auf. Unklar ist, wieso er viel dunkler erscheint. Umbriels Oberfläche ist sehr stark von Kratern überzogen und sie scheint damit sehr alt zu sein. Man hat keine Hinweise gefunden, die auf ein Durchwalken der Oberfläche (durch Gezeitenkräfte?) wie bei Ariel schließen lassen. Ganz oben erkennen wir einen recht hellen Fleck, den man als fluorescent cheerio bezeichnet. Wahrscheinlich handelt es sich hierbei um den Boden eines Kraters, bedeckt vielleicht mit Eiskristallen. Man vermutet jedenfalls, dass es sich um eine relativ junge Formation handelt (Eisvulkanismus?). Die dunkle übrige Oberfläche könnte darin begründet sein, dass durch ein bislang unbekanntes Ereignis in der frühen Geschichte dieses Körpers dunkles Material aus dem Innern ausgeworfen wurde und sich auf dem Mond verteilte.

Weitere Informationen:
http://www.seds.org/nineplanets/nineplanets/umbriel.html

Mit einem Durchmesser von 1578 [km] ist die Titania der größte Mond des Uranus. Wir treffen ihn in seiner Umlaufbahn, wenn wir uns von Uranus 435 840 [km] entfernt haben.

Die Titania ist die Frau von Oberon und Königin der Elfen. Sie ist eine Figur aus Shakespeares Sommernachtstraum

Aufgrund ihrer Größe konnte sie schon 1787 von Wilhelm Herschel entdeckt werden. Titania ähnelt sehr Ariel, ist jedoch deutlich größer. Die Oberfläche ist geprägt durch einige ausgedehnte Becken, welche durch Impakte größerer Brocken entstanden sind. Generell ist der Mond, wie es für einen atmosphärenlosen Körper zu erwarten ist, von Kratern aller möglichen Größen übersät. Wir sehen einen Teil eines etwa 1600 [km] langen Grabenbruchs am rechten Bildrand. Mit einer Dichte von 1,70 [g cm^-3] weist die Titania einen höheren Gesteinsanteil auf als die vorgenannten Monde, ihre Albedo beträgt 0,27 und ist damit viel heller als Umbriel. Einige Brüche und Risse in der Mondoberfläche weisen darauf hin, dass einstmals innere, dynamische Vorgänge flüssiges Material nach außen aufsteigen ließen.

Mit freundlicher Genehmigung von A.Tayfun Oner

Weitere Informationen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Titania_(Mond)

Als letzten der großen Uranusmonde wollen wir uns nun Oberon ansehen. Andere, eher unscheinbare Monde sind weiter unten noch tabellarisch aufgelistet.

Oberon ist der Gatte von Titania und als solcher König der Elfen (Shakespeares Sommernachtstraum). Entspricht dem Alberich der germanischen Mythologie.

Oberon ist ein Mond mit einer sehr alten, von Kratern bedeckten Oberfläche. Wir sehen eine Aufnahme von Voyager II aus einer Distanz von 660 000 [km]. Darauf hat man Hinweise auf innere Aktivitäten erkannt, die einstmals dazu führten, manchen Kraterboden mit unbekanntem dunklen Material zu bedecken. Während wir in der Bildmitte einige größere Krater erspähen können, befindet sich am linken Horizont eine kleine "Nase", ein Berggipfel, der 6 [km] in die Höhe ragt. Von einigen Kratern gehen lange Strahlen aus, wie wir sie vom Mond und auch von Callisto kennen. Oberon hat einen Durchmesser von 1523 [km], seine Albedo beträgt 0,24 und seine Dichte liegt bei 1,64 [g cm^-3]. Auch hier haben wir es also mit einem aus Eis und Gesteinen bestehenden Körper zu tun. Aufgrund der fehlenden Atmosphären und der großen Distanz zur Sonne sind die Oberflächen aller Monde naturgemäß sehr kalt, sicherlich weit unterhalb von -200 [°C].

Weitere Informationen: http://www.monde.de/oberon.html

Uranus und seine Monde wurden bisher nur von einer einzigen Raumsonde besucht, Voyager II im Jahr 1986. So stammt unser meistes Wissen über diese kalten, leblosen Welten von dieser einen Stippvisite. Leider - wenn auch wegen der wenig attraktiven Bedingungen verständlich - ist auf längere Sicht keine weitere Expedition geplant. Wir müssen uns wohl oder übel noch ein Weilchen gedulden, bis wir bessere, neue Bilder aus größerer Nähe anschauen können. Eine gute Übersicht aller bekannten Uranusmonde findet man hier:

http://www.monde.de/index3o.html

Hier noch einmal die wichtigsten der 27 bekannten Uranusmonde als Übersicht:

Mond	Radius [km]	Masse [kg]	Distanz [km]	Entdeckt durch	Datum
Cordelia	13	?	49 750	Voyager 2	1986
Ophelia	16	?	53 760	Voyager 2	1986
Bianca	22	?	59 160	Voyager 2	1986
Cressida	33	?	61 770	Voyager 2	1986
Desdemona	29	?	62 660	Voyager 2	1986
Juliet	42	?	64 360	Voyager 2	1986
Portia	55	?	66 100	Voyager 2	1986
Rosalind	27	?	69 930	Voyager 2	1986
Belinda	34	?	75 260	Voyager 2	1986
1986U10	40	?	75 000	Karkoschka	1999
Puck	77	?	86 010	Voyager 2	1985
Miranda	235.8	6.33 x 10¹⁹	129 780	G. Kuiper	1948
Ariel	578.9	1.27 x 10²¹	191 240	W. Lassell	1851
Umbriel	584.7	1.27 x 10²¹	265 970	W. Lassell	1851
Titan	788.9	3.49 x 10²¹	435 840	W. Herschel	1787
Oberon	761.4	3.03 x 10²¹	582 600	W. Herschel	1787
Caliban	49	?	7 169 000	Gladman	1997
Stephano	10	?	7 948 000	Gladman	1999
Sycorax	95	?	12 213 000	Nicholson	1997
Prospero	15	?	16 568 000	Holman	1999
Setebos	15	?	17 681 000	Kavelaars	1999

Planetendaten

Abschließend die wichtigsten Daten des Planeten Uranus:

Daten Uranus
Masse	8,686 x 10²⁵ [kg]
Äquatorialer Durchmesser	51 118 [km]
Mittl. Dichte	1,29 [g cm^-3]
Entweichgeschwindigkeit	21,30 [km s^-1]
Rotationsperiode	-17,9 Stunden
Umlaufzeit	84,01 Jahre
Bahngeschwindigkeit	6,81 [km s^-1]
Perigäum	2 734 799 000 [km]
Apogäum	3 007 665 000 [km]
Neigung Uranusbahn zur Ekliptik	0,772°
Exzentrizität	0,0457
Atmosphärentemperatur	-193 [°C]
Atmosphärendruck	1,2 [bar]
Albedo	0,51
Magnetfeldstärke	48fache der Erde

Weitere Informationen:
http://www.solarviews.com/eng/uranus.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Uranus_(Planet)
http://www.neunplaneten.de/nineplanets/uranus.html