Stürme auf Jupiter stören die bunten Wolkenbänder des Planeten

Beobachtungen im Radio- IR- und optischen Wellenbereich zeigen die Entwicklung von Wolkenfahnen und ihren Einfluss auf die Zonen der Wolkenbänder. Gewitterwolken in den tiefen Schichten der Jupiter-Atmosphäre beeinträchtigen die weißen Zonen und die bunten Bänder des Planeten, verursachen Störungen und ändern sogar ihre Farbe.

Dank der koordinierten Beobachtungen des Planeten im Januar 2017 durch sechs bodengestützte optische und Radioteleskope und dem Hubble Weltraumteleskop, konnten eine Astronomin von der Universität von Kalifornien, Berkeley und ihre Kollegen, die Auswirkungen dieser Stürme verfolgen – sichtbar als helle Wolkenfahnen über den Ammoniak-Eiswolken des Planeten – und zwar auf den Wolkenbändern, auf welchen sie in Erscheinung treten.

Die Beobachtungen werden letztendlich den Planetenforschern helfen, die komplexe atmosphärische Dynamik auf Jupiter zu verstehen, der mit seinem Großen Roten Fleck und den farbenfrohen, einem Schichtkuchen ähnlichen Wolkenbändern einer der schönsten Gasriesenplaneten in unserem Sonnensystem ist.

Eine solche Wolkenfahne wurde wenige Tage vor den ersten Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Arrays (ALMA) in Chile vom Amateurastronomen Phil Miles in Australien bemerkt. Eine Woche später zeigten Fotos vom Hubble, dass diese Wolke eine zweite Wolkenfahne hervorgebracht hatte, die eine stromabwärts gerichtete Störung in den Wolkenbändern zum südlichen Äquatorialband hin verursachte. Die aufsteigenden Wolken traten dann in Wechselwirkung mit Jupiters mächtigen Winden, welche die Wolken von ihrem Ausgangspunkt aus nach Osten und Westen ausdehnen.

Drei Monate zuvor waren vier helle Flecken etwas nördlich des nördlichen Äquatorial-Bandes zu sehen. Obwohl diese Wolkenfahnen bis 2017 verschwunden waren, haben sich die Wolkenbänder seitdem nach Norden erweitert und ihr nördlicher Rand hatte seine Farbe von weiß auf orange-braun geändert.

„Wenn diese Wolkenfahnen kräftig sind und weiterhin konvektive Bewegungen aufzeigen, können sie eines der Wolkenbänder im Laufe der Zeit stören, auch wenn es einige Monate dauern kann“, sagte die Leiterin der Studie, Imke de Pater, eine emeritierte Professorin der UC Berkeley für Astronomie. „Mit diesen Beobachtungen sehen wir eine Wolkenfahne in Bewegung und die Nachwirkungen der anderen.“

Die Analyse der Wolkenfahnen stützt die Theorie, dass sie etwa 80 Kilometer unterhalb der Wolkenspitzen an einem Ort entstehen, der von flüssigem Wasser dominiert wird. Ein Artikel mit einer Beschreibung der Ergebnisse wurde zur Veröffentlichung im Astronomical Journal angenommen und ist jetzt online.

In die Stratosphäre

Jupiters Atmosphäre besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium mit Spuren von Methan, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und Wasser. Die oberste Wolkenschicht besteht aus Ammoniakeis und enthält braune Bänder und weiße Zonen, die wir mit bloßem Augen sehen können. Unter dieser äußeren Wolkenschicht befindet sich eine Schicht fester Teilchen aus Ammoniumhydrogensulfid. Noch tiefer, etwa 80 Kilometer unter der oberen Wolkendecke, befindet sich eine Schicht flüssiger Wassertropfen.

Die Sturmwolken die Imke de Pater und ihr Team studierte, erscheinen in den Bändern und Zonen als helle Wolkenfahnen und verhalten sich ähnlich wie die Cumulonimbuswolken, die Gewittern auf der Erde vorausgehen. Jupiters Gewitterwolken werden wie die auf der Erde oft von Blitzen begleitet.

Mit optischen Beobachtungen können die Forscher jedoch nicht unter die Ammoniakwolken blicken, so dass de Pater und ihr Team mit Radioteleskopen, darunter das ALMA und auch das Very Large Array (VLA) in New Mexiko verwendeten, um tiefere Schichten untersuchen zu können.

Die ersten Beobachtungen von Jupiter durch ALMA erfolgten zwischen dem 3. und 5. Januar 2017, wenige Tage nachdem eine der hellen Wolkenfahnen von Amateurastronomen im südlichen Äquatorialband des Planeten gesehen wurde. Eine Woche später nahmen das Hubble, das VLA, Gemini, Keck und die Subaru Observatorien auf Hawaii und das VLT in Chile Bilder im sichtbaren Bereich, im Radio und im mittleren Infrarotbereich auf.

De Pater kombinierte die ALMA-Beobachtungen mit den anderen Daten und konzentrierte sich speziell auf den neu zusammengebrauten Sturm, der durch die Ammoniakeiswolken auf die obersten Wolkenschichten traf.

Die Daten zeigten, dass diese Gewitterwolken bis in die Tropopause reichten – den kältesten Teil der Atmosphäre – und sich dort ausbreiteten, ähnlich wie die Cumulonimbuswolken, die Blitze und Donner auf der Erde erzeugen.

„Unsere ALMA-Beobachtungen sind die ersten die zeigen, dass bei einem energetischen Ausbruch hohe Konzentrationen von Ammoniakgas entstehen“, sagte de Pater.

Die Beobachtungen stimmen mit einer Theorie überein, die als feuchte Konvektion bezeichnet wird, wenn sich solche Wolkenfahnen bilden. Nach dieser Theorie bringt die Konvektion eine Mischung aus Ammoniak und Wasserdampf mit sich, die hoch genug ist – etwa 80 Kilometer unter der Wolkenobergrenze – damit das Wasser in Flüssigkeitströpfchen kondensiert. Das kondensierende Wasser gibt Wärme ab, welche die Wolke ausdehnt und sie schnell durch andere Wolkenschichten nach oben treibt und schließlich die Ammoniak-Eiswolken an der Wolkenobergrenze durchbricht.

Der Schwung der Wolkenfahne trägt die unterkühlte Ammoniakwolke über die vorhandenen Ammoniakeiswolken hinaus, bis das Ammoniak gefriert. Dadurch entsteht eine helle, weiße Wolke, die sich von den bunten Wolkenbändern um Jupiter abhebt.

„Wir hatten großes Glück mit diesen Daten, da sie nur wenige Tage nach der Entdeckung einer hellen Wolke durch Amateurastronomen im südlichen Teil des Äquatorialbandes aufgenommen wurden“, sagte de Pater. „Mit ALMA haben wir den ganzen Planeten beobachtet und diese Wolkenfahne gesehen. Und da ALMA unter die Wolkenschichten blicken kann, konnten wir tatsächlich sehen, was unter den Ammoniakwolken vor sich geht.“

Hubble hat eine Woche nach ALMA Bilder aufgenommen und zwei separate Lichtpunkte erfasst, was darauf hindeutet, dass die Wolkenfahnen aus der gleichen Quelle stammen und vom Jetstream in großer Höhe nach Osten getragen werden, was zu den Störungen im Wolkenband führt.

Zufällig waren drei Monate zuvor helle Wolkenfahnen nördlich vom nördlichen Äquatorialband beobachtet worden. Die Beobachtungen vom Januar 2017 zeigten, dass sich das Äquatorialband verbreitert hat und jener Teil des Bandes, in dem die Wolkenfahnen zum ersten Mal gesehen worden waren, von weiß auf orange überging. De Pater vermutet, dass die Ausdehnung des nördlichen Teil des Äquatorialbandes nach Norden darauf zurückzuführen ist, dass Gas aus den von Ammoniak dezimierten Wolkenfahnen in die tiefere Atmosphäre zurückfällt.

De Paters Kollege und Mitautor Robert Sault von der Universität Melbourne in Australien, analysierte die ALMA-Daten mit Hilfe einer speziellen Computersoftware, um Radiokarten von der Oberfläche zu erstellen, um sie mit den von Hubble aufgenommenen Fotos im sichtbaren Licht zu vergleichen.

„Die 10 Stunden Rotationsperiode von Jupiter verwischt normalerweise die Radiokarten, da die Beobachtung für solche Karten viele Stunden in Anspruch nimmt“, sagte Sault. „Zusätzlich mussten wir aufgrund der Größe Jupiters den Planeten 'scannen', damit wir am Ende ein großes Mosaik machen konnten. Wir haben eine Technik entwickelt, um eine vollständige Karte des Planeten zu erstellen.“

26. August 2019/SP
Verein Kuffner-Sternwarte