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Kosmologie: Warum erscheinen Uranus und Neptun blau?

Die Planeten Uranus und Neptun leuchten im Gegensatz zu Jupiter und Saturn beide in bläulichen Farbtönen. Woran liegt das?
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Die Farbe entsteht tatsächlich durch gasförmiges Methan. Moleküle verraten sich in Sternen und Planeten mit so genannten Banden, breiten dunklen Einsenkungen im Spektrum. Jede Bande gehört zu einer bestimmten Änderung des Vibrationszustands des Moleküls. Bei genügender spektraler Auflösung zeigt sich, dass jede Bande in Wahrheit aus einer Vielzahl einzelner Spektrallinien besteht, deren jede jeweils zu einer bestimmten gleichzeitigen Änderung des Rotationszustands gehört.

Methan, CH4, besitzt mit seinen fünf Atomen genau neun unabhängige Vibrationsmuster, die "Moden". Dazu gehört eine entsprechende Zahl von Infrarotbanden, die jeweils die Änderung der Anregung von einem dieser Muster um genau eine Quantenstufe anzeigen.

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Methanmolekül |

Hier sind zwei der neun Vibrationsmoden des Methans, bestehend aus einem Kohlenstoffatom (C) und vier Wasserstoffatomen (H) zu sehen. Das linke Teilbild zeigt eine Streckschwingung: die vier Bindungsarme werden simultan gedehnt und gestaucht. Das rechte Teilbild zeigt eine Biegungsschwingung: zwei gegenüberliegende Bindungswinkel (rote Bögen) werden im Gleichtakt vergrößert und verkleinert. In goo.gl/ICrhQ4 sind alle neun Eigenschwingungsmoden des Methan animiert dargestellt.

Licht kürzerer Wellenlänge, also höherer Energie pro Photon, kann nur absorbiert werden, indem mehrere Moden gleichzeitig angeregt werden, und/oder indem eine der Moden um mehr als eine Quantenstufe auf einmal verstärkt wird. Solche so genannten Kombinations- oder Obertonbanden im roten Spektralbereich erzeugen die bläuliche Farbe von Uranus und Neptun.

Die Einzelanregung der Moleküle ist um zwei und mehr Zehnerpotenzen effektiver als die Mehrfach- oder Kombinations-Anregungen. Deshalb "sieht" man im Labor zwar ohne Weiteres die starken Infrarotbanden, nicht jedoch die optischen, und das Gas erscheint "farblos". In den riesigen Atmosphären von Uranus und Neptun gibt es allerdings nicht nur Labormengen des Gases, und so kann auch eine eigentlich sehr schwache Absorption die tiefen Beulen in die gelben und roten Bereiche des reflektierten Sonnenspektrums fressen.

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Spektrum des Uranus | Spektrum des Uranus, aufgenommen von Uwe Zurmühl aus Giesen mit einem 60-Millimeter-Refraktor und dem Transmissionsgitter Star Analyser 200. Die vielen kleinen Zacken sind atomare Absorptionslinien des Sonnenspektrums, die breiten Einsenkungen sind die Methanbanden der Planetenatmosphäre.
Februar 2017

Dieser Artikel ist enthalten in Sterne und Weltraum Februar 2017

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