Warum hat Neptun ein dunkleres Blau als Uranus?

Dies ist eine faszinierende Frage, mit einer Lösung, die von Irwin et al. (2022; arXiv:2201.04516 ) Papier, das die YouTube-, NewScientist-, ScienceAlert-, Phys.org- usw. Berichterstattung der letzten Tage inspirierte. Trotzdem würde ich ein paar Jahre warten, um zu sehen, ob andere alternative Ideen haben, bevor ich diesen Fall für abgeschlossen halte. Außerdem muss das Papier einem Peer-Review unterzogen werden.

Hier ist die obere Hälfte von Abbildung 1 aus dem Irwin et al. Papier:

Die Kurven des "menschlichen Auges" werden mit den Spektren des Hubble-Weltraumteleskops der beiden Planeten verglichen. Ein paar Dinge, die zu beachten sind: Neptun reflektiert etwas mehr, wo menschliche blaue optische Kegel ihren Höhepunkt erreichen, während Uranus etwas stärker reflektiert, wo die roten Kegel ihren Höhepunkt erreichen. Dies ist also der Farbunterschied, nach dem das OP gefragt und geantwortet hat. Diese Hubble-Beobachtungen von Uranus und Neptun wurden bereits in den Jahren 2009 und 2011 basierend auf den Beobachtungen von 2002 und 2003 veröffentlicht.

Was ist neu aus dem Irwin et al. Studie ist ein Modell oder eine theoretische Beschreibung der Dunst- und Wolkenschichten, die sowohl in Uranus als auch in Neptun vorhanden sind. Das Papier argumentiert tatsächlich für eine einfache Struktur von 3 Dunst-/Wolkenschichten auf Uranus (plus einer zusätzlichen Schicht auf Neptun), die zwischen den beiden Planeten größtenteils ähnlich ist. Frühere Arbeiten gingen davon aus, dass alle Schichten entweder Schleier (wie photochemischer Smog) oder Eis (aus Methan oder Schwefelwasserstoff) waren, aber dieses neue Modell hat Schleier in alle Schichten gemischt (mit Ausnahme dieser zusätzlichen Methan-Cirrus-Schicht auf Neptun).

Die „Aerosol-2“-Schicht soll Farbunterschiede erklären. In diesem neuen Modell ist die Aerosol-2-Schicht ein wenig absorbierend, insbesondere bei UV- und blauen Wellenlängen, was eine ziemlich übliche Annahme für Trübungsschichten ist. Aber es befindet sich tiefer in der Atmosphäre, wo frühere Studien eine Methan-Eis-Kondensationsschicht gefordert hatten. Andere Wissenschaftler verwenden möglicherweise andere Dunst-/Wolkenmodelle, um Uranus- und Neptundaten zu beschreiben. Es wäre also eine gute Idee abzuwarten, ob das neue Irwin et al. Modell wird von anderen herausgefordert. Es wäre auch großartig, tatsächlich Sonden zu diesen Planeten zu schicken und zu sehen, ob eines dieser Modelle korrekt ist.

Im neuen Irwin et al. Modell sind die Hauptfaktoren, die die sichtbare Farbe der beiden Planeten beeinflussen – die Unterschiede zwischen den rosa und schwarzen Linien oben – mehr gasförmiges Methan auf Neptun (was Neptun weniger reflektierend macht als Uranus bei roten Wellenlängen) und mehr Dunstpartikel in einer der Schichten von Uranus (was Uranus bei blauen Wellenlängen weniger reflektierend macht als Neptun).

Tl:DR : Laut einem Team unter der Leitung des Planetenphysikers Patrick Irwin von der Universität Oxford im Vereinigten Königreich verdünnt eine ausgedehnte Dunstschicht den Farbton von Uranus, was zu einer blassen Farbe im Vergleich zu Neptun führt

Lange Antwort

Uranus und Neptun haben eine sehr ähnliche strukturelle und atmosphärische Zusammensetzung (Ein kleiner, felsiger Kern ist von einem Mantel aus Wasser, Ammoniak und Methaneis und einer gasförmigen Atmosphäre umgeben, die hauptsächlich aus Wasserstoff, Helium und Methan besteht, und einer Wolkendecke in der oberen Atmosphäre. Die Atmosphäre ist nicht homogen, sondern vielschichtig). Irwin und Kollegen analysierten sichtbare und Nahinfrarot-Beobachtungen der beiden Planeten, um neue Modelle der atmosphärischen Schichten zu erstellen, die die Stürme und die dunklen Flecken der Planeten sehr gut erklärten.

In ihren Modellen haben beide Planeten eine Schicht aus photochemischem Dunst. Dies geschieht, wenn ultraviolette Strahlung der Sonne Aerosolpartikel in der Atmosphäre zersetzt und Dunstpartikel erzeugt. Sie nannten diese Schicht "Aerosol-2-Schicht", und auf beiden Planeten scheint sie eine Quelle der Wolkensamen zu sein, die an der unteren Grenze zu Methaneis kondensieren und tiefer in die Atmosphäre schneien, aber auf Uranus scheint diese Schicht doppelt vorhanden zu sein so undurchsichtig wie auf Neptun und deshalb sehen die beiden Planeten unterschiedlich aus. Laut Papier ² :

Da festgestellt wird, dass diese Partikel UV-absorbierend sind, erklärt dies das geringere beobachtete UV-Reflexionsvermögen von Uranus und erklärt auch, warum Uranus für das menschliche Auge eine blassere blaue Farbe zu haben scheint als Neptun, da festgestellt wird, dass diese Partikel ein ungefähr weißes sichtbares Reflexionsspektrum aufweisen .

Die geringere Opazität der Aerosol-2-Schicht von Neptun erklärt auch, warum dunkle Flecken … in der Atmosphäre von Neptun leichter zu beobachten sind als in der von Uranus.

Unter Aerosol-2 befindet sich eine weitere Schicht namens „Aerosol-1-Schicht“, die eine tiefere Dunstschicht ist, in der das Methan wieder verdampft und die Dunstpartikel wieder ablagert. Diese Trübungspartikel kondensieren dann zu submikrometergroßen Schwefelwasserstoffkristallen. Das Aerosol-1 konzentriert sich an bestimmten Stellen, die als dunkle Flecken von Neptun gelten.

Auch die Methankonzentration spielt hier eine Rolle. In Uranus gibt es 2 % Methan, während in Neptun 1,5 % Methan in der Atmosphäre vorhanden sind, und daher absorbiert mehr Methan Infrarotlicht und reflektiert blaues Licht.

Verweise

1. https://www.sciencealert.com/we-might-finally-know-why-uranus-and-neptune-are-different-colors/amp
2. Trübe blaue Welten: Ein ganzheitliches Aerosolmodell für Uranus und Neptun, einschließlich Dark Spots von Patrick GJ Irwin et.al (arXiv: 2201.04516 )
3. Warum unterscheidet sich der blaue Farbton von Neptun von Uranus?

Laut https://phys.org/news/2022-02-explanation-difference-blue-hues-uranus.html liegt das daran, dass Uranus eine dickere Atmosphäre als Neptun hat.