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Planeten

Einleitung

Planeten sind große Himmelskörper, die sich durch die Gravitation in Bahnen um Sterne bewegen. Sie leuchten im sichtbaren Bereich nicht wie Sterne aus eigener Kraft, sondern reflektieren Licht ihres Zentralsterns und geben zusätzlich Wärmestrahlung ab. Unser Sonnensystem besitzt acht Planeten: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Von der Sonne aus ist genau das ihre Reihenfolge.

Die vier inneren Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars sind Gesteinsplaneten. Jupiter und Saturn sind Gasriesen, Uranus und Neptun Eisriesen. Die Größen in Planetenbildern lassen sich gut vergleichen; die tatsächlichen Abstände sind dagegen so riesig, dass Größe und Entfernung in einer einzigen Abbildung meist nicht gleichzeitig maßstabsgerecht dargestellt werden können.

In diesem aiMOOC lernst Du, was Astronominnen und Astronomen unter einem Planeten verstehen, wie die acht Planeten aufgebaut sind, warum sie so unterschiedlich aussehen, wie Planeten entstehen und wie Exoplaneten nachgewiesen werden.

Was ist ein Planet?

Der Begriff „Planet“ geht auf ein griechisches Wort für „Wanderer“ zurück. Schon mit bloßem Auge fiel auf, dass einige helle Himmelskörper ihre Position gegenüber dem Hintergrund der Fixsterne verändern. Heute wird der Begriff physikalisch beschrieben.

Für das Sonnensystem legte die Internationale Astronomische Union im Jahr 2006 drei Kriterien fest. Ein Planet muss die Sonne umkreisen, durch seine eigene Schwerkraft annähernd rund geworden sein und die Umgebung seiner Umlaufbahn dynamisch dominiert beziehungsweise „freigeräumt“ haben. Ein Körper, der die ersten beiden Bedingungen erfüllt, seine Bahnumgebung aber nicht dominiert und kein Mond ist, kann als Zwergplanet gelten.

Darum ist Pluto nach dieser Definition kein Planet, sondern ein Zwergplanet. Die acht Planeten des Sonnensystems erfüllen dagegen alle drei Kriterien.

Planet, Zwergplanet, Mond und Kleinkörper

Ein Mond umkreist einen Planeten, Zwergplaneten oder anderen größeren Körper. Asteroiden und Kometen gehören zu den Kleinkörpern des Sonnensystems. Die Begriffe beschreiben also nicht nur Größe, sondern auch Bahn, Form und dynamische Rolle.

Pluto ist rund und umkreist die Sonne, teilt seine Bahnregion jedoch mit zahlreichen Objekten des Kuipergürtels. Er ist damit ein gutes Beispiel dafür, weshalb die genaue Definition wissenschaftlicher Begriffe wichtig ist.

Die Ordnung des Sonnensystems

Die Planeten bewegen sich auf leicht elliptischen Bahnen um die Sonne. Ihre Bahnebenen liegen relativ nahe beieinander. Ein hilfreicher Merksatz für die Reihenfolge lautet: Mein Vater erklärt mir jeden Sonntag unseren Nachthimmel. Die Anfangsbuchstaben stehen für Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun.

Planet	Typ	Mittlere Sonnenentfernung	Umlaufzeit um die Sonne	Kennzeichen
Merkur	Gesteinsplanet	etwa 0,39 AE	etwa 88 Tage	kleinster und sonnennächster Planet
Venus	Gesteinsplanet	etwa 0,72 AE	etwa 225 Tage	dichteste Atmosphäre der Gesteinsplaneten und heißeste Oberfläche
Erde	Gesteinsplanet	1 AE	etwa 365,25 Tage	flüssiges Oberflächenwasser und bekanntes Leben
Mars	Gesteinsplanet	etwa 1,52 AE	etwa 687 Tage	eisenoxidhaltiger Staub lässt ihn rötlich erscheinen
Jupiter	Gasriese	etwa 5,20 AE	etwa 11,86 Jahre	größter Planet
Saturn	Gasriese	etwa 9,57 AE	etwa 29,45 Jahre	besonders auffälliges Ringsystem
Uranus	Eisriese	etwa 19,2 AE	etwa 84 Jahre	Rotationsachse ist sehr stark geneigt
Neptun	Eisriese	etwa 30,2 AE	etwa 165 Jahre	äußerster Planet

AE bedeutet Astronomische Einheit. Eine AE entspricht ungefähr dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne. Je weiter ein Planet von der Sonne entfernt ist, desto länger dauert im Allgemeinen sein Umlauf, weil seine Bahn größer ist und seine mittlere Bahngeschwindigkeit geringer ist.

Die vier Gesteinsplaneten

Die inneren Planeten besitzen feste Oberflächen und bestehen überwiegend aus Gestein und Metall. Trotzdem unterscheiden sie sich stark in Atmosphäre, Temperatur, Wasserhaushalt und geologischer Aktivität.

Merkur

Merkur ist der kleinste Planet und der Sonne am nächsten. Er benötigt nur etwa 88 Erdtage für einen Umlauf. Seine Oberfläche ist stark verkratert und erinnert an den Mond. Merkur besitzt keine dichte Atmosphäre, sondern nur eine sehr dünne Exosphäre. Deshalb werden Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht extrem groß. In dauerhaft verschatteten Polkratern kann Wassereis erhalten bleiben.

Venus

Venus ist beinahe so groß wie die Erde, aber ihre Umweltbedingungen sind völlig anders. Ihre sehr dichte, überwiegend aus Kohlendioxid bestehende Atmosphäre erzeugt einen starken Treibhauseffekt. Dadurch liegt die Oberflächentemperatur bei ungefähr 465 bis 470 °C und ist höher als auf Merkur. Venus rotiert außerdem sehr langsam und entgegengesetzt zur Drehrichtung der meisten anderen Planeten.

Erde

Die Erde ist der dritte Planet von der Sonne und bisher der einzige bekannte Planet mit Leben. Große Mengen flüssigen Wassers bedecken ihre Oberfläche. Atmosphäre, Magnetfeld, geologische Prozesse und der Abstand zur Sonne tragen zu Bedingungen bei, unter denen Wasser langfristig flüssig vorkommen kann.

Die Erde braucht etwa 23 Stunden und 56 Minuten für eine Rotation relativ zu den Sternen; der mittlere Sonnentag dauert 24 Stunden. Ihre Achsenneigung von ungefähr 23,4° ist die Hauptursache für die Jahreszeiten.

Mars

Mars ist etwa halb so groß wie die Erde. Eisenhaltige Minerale in Staub und Gestein sind oxidiert und lassen den Planeten rötlich erscheinen. Mars besitzt eine dünne Kohlendioxidatmosphäre, Polkappen und deutliche Spuren früherer Wasseraktivität. Ein Marstag, „Sol“ genannt, dauert nur wenig länger als ein Erdentag.

Das riesige Grabensystem Valles Marineris zeigt, wie stark planetare Oberflächen durch geologische Prozesse geprägt werden können. Auf Mars suchen Raumsonden und Rover unter anderem nach Hinweisen auf frühere lebensfreundliche Bedingungen.

Die Riesenplaneten

Jenseits des Asteroidengürtels liegen vier sehr große Planeten ohne feste, begehbare Oberfläche wie bei den Gesteinsplaneten. Ihre sichtbaren „Oberflächen“ sind Wolkenschichten in tiefen Atmosphären. Jupiter und Saturn werden als Gasriesen bezeichnet; Uranus und Neptun als Eisriesen. „Eis“ meint hier Stoffe wie Wasser, Ammoniak und Methan, die bei der Entstehung des Sonnensystems in den kalten Außenregionen eine wichtige Rolle spielten.

Jupiter

Jupiter ist der größte Planet des Sonnensystems. Er besteht überwiegend aus Wasserstoff und Helium und rotiert in knapp zehn Stunden einmal um seine Achse. Seine schnelle Rotation und starke Atmosphärendynamik erzeugen Bänder, Wirbel und Stürme. Der Große Rote Fleck ist ein besonders markanter, langlebiger Sturm.

Jupiter besitzt ein starkes Magnetfeld und ein großes System natürlicher Satelliten. Der Eismond Europa ist für die Forschung besonders interessant, weil sich unter seiner Eiskruste wahrscheinlich ein Ozean befindet.

Saturn

Saturn ist der zweitgrößte Planet. Sein Ringsystem besteht aus unzähligen Teilchen, vor allem aus Wassereis mit Beimengungen von Gestein und Staub. Auch andere Riesenplaneten besitzen Ringe, doch Saturns Ringe sind besonders ausgedehnt und hell.

Zu Saturns wissenschaftlich besonders interessanten Monden gehören Titan mit einer dichten Atmosphäre und Enceladus, aus dessen Südpolregion Fontänen aus Wasserdampf und Eis austreten.

Uranus

Uranus ist ein Eisriese. Methan in seiner Atmosphäre trägt zu seiner blaugrünen Erscheinung bei. Seine Rotationsachse ist um fast 98° gegen die Bahnebene geneigt. Dadurch wirkt Uranus, als rolle er auf seiner Bahn um die Sonne. Ein Uranusjahr dauert ungefähr 84 Erdenjahre.

Neptun

Neptun ist der äußerste der acht Planeten. Ein Umlauf um die Sonne dauert etwa 165 Erdenjahre. In seiner Atmosphäre treten sehr schnelle Winde und große Wettersysteme auf. Wie Uranus besitzt Neptun einen höheren Anteil an planetologischen „Eisen“ als Jupiter und Saturn und wird daher als Eisriese klassifiziert.

Warum sind die Planeten so verschieden?

Die Unterschiede hängen vor allem mit ihrer Entstehung, ihrer Masse, ihrer Entfernung von der Sonne und ihrer späteren Entwicklung zusammen. Vor rund 4,6 Milliarden Jahren entstand die Sonne aus einer kollabierenden Gas- und Staubwolke. Um die junge Sonne bildete sich eine rotierende protoplanetare Scheibe. Staubteilchen stießen zusammen, hafteten aneinander und bildeten über viele Zwischenschritte größere Körper. Durch Akkretion entstanden schließlich Planetesimale, Protoplaneten und Planeten.

Im heißen inneren Bereich konnten vor allem Gesteine und Metalle als feste Bestandteile überleben. Weiter außen war es kalt genug, dass zusätzliche flüchtige Stoffe kondensierten. Dort konnten große Kerne entstehen, die viel Gas oder eisreiche Materialien ansammelten. Dieses Temperaturgefälle hilft zu erklären, warum die inneren Planeten klein und felsig, die äußeren Planeten dagegen viel größer und gas- beziehungsweise eisreich sind.

Bewegung: Jahr, Tag und Jahreszeiten

Ein Jahr ist die Zeit für einen Umlauf eines Planeten um die Sonne. Ein Tag kann je nach Definition die Rotationsdauer relativ zu den Sternen oder den Zeitraum von einem Sonnenhöchststand zum nächsten meinen. Deshalb lohnt es sich, bei Angaben zur Tageslänge genau hinzuschauen.

Jahreszeiten werden hauptsächlich durch die Neigung der Rotationsachse verursacht, nicht durch einen wechselnden Abstand zur Sonne. Ist eine Hemisphäre zur Sonne geneigt, steht die Sonne dort höher am Himmel und die Tage sind länger. Uranus ist ein Extremfall, weil seine Achse fast in der Bahnebene liegt.

Die Umlaufgeschwindigkeit folgt den Gesetzen von Kepler und der Gravitation. Planeten bewegen sich auf Ellipsen, wobei die Sonne in einem Brennpunkt liegt. Auf sonnennäheren Bahnabschnitten ist ein Planet schneller als auf sonnenferneren.

Atmosphären, Magnetfelder und Lebensfreundlichkeit

Eine Planetenatmosphäre hängt unter anderem von Masse, Temperatur, chemischer Zusammensetzung, geologischer Entwicklung und Sonnenwind ab. Merkur kann kaum eine dichte Atmosphäre halten, Venus besitzt eine extrem dichte Kohlendioxidatmosphäre, die Erde eine stickstoffreiche Atmosphäre mit Sauerstoff und Mars nur eine dünne Atmosphäre.

Magnetfelder können geladene Teilchen des Sonnenwinds ablenken. Die Erde besitzt ein starkes globales Magnetfeld, das durch Bewegungen leitfähigen Materials im äußeren Erdkern erzeugt wird. Auch Merkur und die Riesenplaneten besitzen globale Magnetfelder, während Mars heute kein starkes globales Dipolfeld wie die Erde hat.

Bei der Suche nach lebensfreundlichen Welten reicht es nicht, nur nach einer „richtigen“ Entfernung zum Stern zu fragen. Flüssiges Wasser, Atmosphäre, Energiequellen, chemische Ausgangsstoffe und langfristig stabile Bedingungen spielen zusammen. Die habitable Zone bezeichnet lediglich den Entfernungsbereich, in dem auf einem geeigneten Planeten flüssiges Wasser an der Oberfläche grundsätzlich möglich sein könnte.

Exoplaneten

Planeten außerhalb unseres Sonnensystems heißen Exoplaneten. Sie sind meist so lichtschwach und weit entfernt, dass sie nicht einfach wie helle Punkte neben ihrem Stern fotografiert werden können. Deshalb nutzt die Astronomie indirekte Nachweismethoden.

Bei der Transitmethode wird die Helligkeit eines Sterns sehr genau gemessen. Zieht ein Planet aus unserer Sicht vor dem Stern vorbei, verdeckt er einen kleinen Teil der Sternscheibe. Die Helligkeit sinkt regelmäßig. Aus Tiefe, Dauer und Wiederholung solcher Transits lassen sich Eigenschaften des Systems ableiten.

Eine weitere wichtige Methode ist die Radialgeschwindigkeitsmethode. Planet und Stern bewegen sich um ihren gemeinsamen Schwerpunkt. Dadurch bewegt sich der Stern periodisch etwas auf uns zu und von uns weg. Diese Bewegung kann über die Verschiebung von Spektrallinien gemessen werden.

Exoplaneten zeigen, dass Planetensysteme sehr unterschiedlich aufgebaut sein können. Manche besitzen große Planeten dicht an ihrem Stern, andere enthalten mehrere kleine Planeten. Unser Sonnensystem ist daher ein Beispiel unter vielen möglichen Planetensystemen.

Planeten erforschen

Die Planetenforschung verbindet Astronomie, Physik, Chemie, Geologie und Raumfahrt. Teleskope untersuchen Licht und Spektren. Raumsonden fotografieren Oberflächen und Atmosphären, messen Magnetfelder und Teilchen oder landen auf Himmelskörpern. Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn wurden von verschiedenen Missionen intensiv erforscht; Uranus und Neptun wurden bisher nur von Voyager 2 aus nächster Nähe besucht.

Beim Vergleichen von Planeten ist entscheidend, Messdaten im Zusammenhang zu betrachten: Masse beeinflusst Schwerkraft und Atmosphärenbindung, Sonnenabstand beeinflusst Strahlungsangebot, Achsenneigung beeinflusst Jahreszeiten und chemische Zusammensetzung beeinflusst Wolken, Klima und mögliche Oberflächenbedingungen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wie viele Planeten hat das Sonnensystem nach der IAU-Definition? (Acht) (!Sieben) (!Neun) (!Zwölf)

Welcher Planet ist der Sonne am nächsten? (Merkur) (!Venus) (!Mars) (!Jupiter)

Welcher Planet besitzt die höchste mittlere Oberflächentemperatur? (Venus) (!Merkur) (!Erde) (!Neptun)

Welche Gruppe besteht nur aus Gesteinsplaneten? (Merkur Venus Erde Mars) (!Jupiter Saturn Uranus Neptun) (!Erde Jupiter Saturn Mars) (!Venus Erde Uranus Neptun)

Welcher Planet ist der größte im Sonnensystem? (Jupiter) (!Saturn) (!Neptun) (!Erde)

Welche beiden Planeten werden als Eisriesen bezeichnet? (Uranus und Neptun) (!Jupiter und Saturn) (!Merkur und Venus) (!Erde und Mars)

Welches Kriterium unterscheidet nach der IAU im Sonnensystem einen Planeten von einem Zwergplaneten besonders? (Dominanz der Umgebung seiner Umlaufbahn) (!Vorhandensein einer blauen Atmosphäre) (!Besitz mindestens eines Mondes) (!Sichtbarkeit mit bloßem Auge)

Wie wird Pluto heute im Sonnensystem klassifiziert? (Zwergplanet) (!Gasriese) (!Mond) (!Komet)

Was ist die Hauptursache der Jahreszeiten auf der Erde? (Neigung der Rotationsachse) (!Wechselnde Farbe der Sonne) (!Mondphasen) (!Asteroidengürtel)

Was wird bei der Transitmethode zur Exoplanetensuche beobachtet? (Regelmäßige Helligkeitsabnahme eines Sterns) (!Farbe des Erdmondes) (!Lautstärke eines Sterns) (!Anzahl der Sonnenflecken auf jedem Planeten)

Memory

Merkur	sonnennächster Planet
Venus	heißester Planet
Erde	bekanntes Leben
Mars	roter Planet
Jupiter	größter Planet
Saturn	auffälliges Ringsystem
Uranus	stark geneigte Rotationsachse
Neptun	äußerster Planet

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Merkur	Gesteinsplanet
Jupiter	Gasriese
Uranus	Eisriese
Pluto	Zwergplanet
Transit	Nachweismethode

Kreuzworträtsel

Merkur	Welcher Planet ist der Sonne am nächsten?
Venus	Welcher Planet ist wegen seines starken Treibhauseffekts am heißesten?
Jupiter	Welcher Planet ist der größte im Sonnensystem?
Saturn	Welcher Planet ist besonders für sein auffälliges Ringsystem bekannt?
Uranus	Welcher Eisriese besitzt eine extrem stark geneigte Rotationsachse?
Neptun	Welcher Planet ist am weitesten von der Sonne entfernt?

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Lückentext

Unser Sonnensystem besitzt

Planeten. Der sonnennächste Planet heißt

. Der heißeste Planet ist wegen seines starken Treibhauseffekts die

. Die vier inneren Planeten werden als

bezeichnet. Der größte Planet heißt

. Uranus und Neptun gehören zu den

. Pluto wird heute als

eingeordnet. Ein Umlauf eines Planeten um die Sonne bestimmt sein

. Die Jahreszeiten der Erde entstehen hauptsächlich durch die Neigung ihrer

. Planeten entstehen in einer

. Planeten außerhalb des Sonnensystems heißen

. Bei der Transitmethode wird eine regelmäßige Abnahme der

gemessen.

Offene Aufgaben

Leicht

Planetensteckbrief: Wähle einen der acht Planeten und gestalte einen Steckbrief mit Planetentyp, Sonnenabstand, Tageslänge, Jahreslänge und drei Besonderheiten.
Planetenreihenfolge: Entwickle einen eigenen Merksatz für Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun und erkläre, wie Du ihn Dir merkst.
Planetenzeichnung: Zeichne die acht Planeten in ihrer richtigen Reihenfolge und kennzeichne Gesteinsplaneten, Gasriesen und Eisriesen.
Medienanalyse: Vergleiche zwei Bilder aus diesem Kurs und beschreibe, welche Informationen ein Foto zeigt und welche Informationen erst durch Messdaten erklärt werden können.

Standard

Modell des Sonnensystems: Baue ein Größenmodell ausgewählter Planeten mit Alltagsgegenständen und dokumentiere, warum Du die Entfernungen nicht im selben Maßstab darstellen kannst.
Venus und Erde: Erstelle eine Vergleichstabelle und erkläre, warum zwei ähnlich große Gesteinsplaneten so unterschiedliche Oberflächenbedingungen besitzen.
Marsmission: Plane eine fiktive wissenschaftliche Marsmission. Formuliere drei Forschungsfragen und wähle passende Messinstrumente.
Exoplanetentransit: Simuliere mit Lampe und Kugel einen Transit, filme oder protokolliere den Versuch und erkläre, wovon die beobachtete Helligkeitsabnahme abhängt.

Schwer

Planetenentstehung: Erstelle ein Erklärvideo oder Schaubild von der protoplanetaren Scheibe bis zu Gesteins- und Riesenplaneten. Begründe die Rolle der Temperatur.
Habitabilität: Entwickle Kriterien für einen potenziell lebensfreundlichen Planeten und zeige an mindestens zwei Beispielen, warum die habitable Zone allein nicht genügt.
Planetendaten: Recherchiere zu drei Planeten verlässliche Messdaten, visualisiere mindestens zwei Zusammenhänge und interpretiere sie statt nur Werte aufzuzählen.
Planetendefinition: Verfasse eine begründete Stellungnahme zur IAU-Definition von 2006. Erkläre, welche Funktion wissenschaftliche Definitionen haben und weshalb Grenzfälle zu Diskussionen führen können.

Lernkontrolle

Planetentypen vergleichen: Erkläre anhand von Entstehungsbedingungen, warum die inneren Planeten überwiegend felsig sind, während im äußeren Sonnensystem Riesenplaneten entstehen konnten.
Venusproblem: Merkur ist sonnennäher als Venus, trotzdem ist Venus heißer. Leite aus den Eigenschaften beider Atmosphären eine Erklärung ab.
Jahreszeiten übertragen: Ein hypothetischer Planet besitzt eine kaum geneigte Rotationsachse. Beurteile, welche Auswirkung das auf seine Jahreszeiten hätte, und begründe Deine Antwort.
Umlaufzeit deuten: Zwei Planeten umkreisen denselben Stern, einer deutlich weiter außen. Erkläre qualitativ, warum der äußere Planet in der Regel eine längere Umlaufzeit hat.
Pluto einordnen: Prüfe die drei IAU-Kriterien für Pluto und erkläre, an welchem Kriterium die Einordnung als Planet scheitert.
Exoplaneten nachweisen: Bei einem Stern sinkt die gemessene Helligkeit in gleichmäßigen Abständen. Erkläre, welche Zusatzbeobachtungen nötig sind, bevor Du einen Exoplaneten als plausible Ursache ansiehst.

Lernnachweis

Für einen überzeugenden Lernnachweis zu Planeten solltest Du zeigen, dass Du nicht nur Namen und Reihenfolge kennst, sondern Zusammenhänge erklären und Daten deuten kannst.

Du kannst die acht Planeten in richtiger Reihenfolge nennen und Gesteinsplaneten, Gasriesen und Eisriesen unterscheiden.
Du kannst die IAU-Kriterien für Planeten im Sonnensystem erklären und Pluto davon abgrenzen.
Du kannst Rotation, Umlauf, Achsenneigung, Tag, Jahr und Jahreszeiten fachlich unterscheiden.
Du kannst begründen, warum Atmosphäre, Masse und Sonnenabstand die Bedingungen auf einem Planeten beeinflussen.
Du kannst die Grundidee der Planetenentstehung aus einer protoplanetaren Scheibe beschreiben.
Du kannst mindestens eine Methode zum Nachweis von Exoplaneten erklären und einfache Beobachtungsdaten dazu interpretieren.
Du kannst Aussagen über Planeten mit verlässlichen Quellen, Messdaten und passenden Modellen begründen.

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