NASA-Satellitenbilder von Wirbelstürmen auf dem Jupiter zeigen, dass Stürme durch Prozesse angetrieben werden, die denen auf der Erde ähneln

Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung von Lia Siegelman, einer physikalischen Ozeanographin am Scripps Institution of Oceanography der UC San Diego, zeigen, dass die stürmischen Stürme in den Polarregionen des Planeten Jupiter durch Prozesse angetrieben werden, die Physikern bekannt sind, die die Ozeane und die Atmosphäre der Erde erforschen. Die geophysikalischen Gemeinsamkeiten, die sich über die 452 Millionen Meilen zwischen den beiden Planeten erstrecken, könnten sogar zu einem besseren Verständnis dieser Prozesse auf der Erde beitragen.

Siegelman stellte 2018 erstmals die Verbindung zwischen unserem Planeten und dem Gasriesen her, als sie eine verblüffende Ähnlichkeit zwischen Bildern von Jupiters riesigen Wirbelstürmen und den Meeresturbulenzen bemerkte, die sie untersuchte. Für einen Physiker gelten Luft und Wasser beide als Flüssigkeiten, daher ist die Anwendung der Meeresphysik auf Jupiter nicht so weit hergeholt, wie es klingt, sagte Siegelman. „Jupiter ist im Grunde ein Ozean aus Gas.“

Diese erste Beobachtung veranlasste Siegelman dazu, Mitautor einer Studie aus dem Jahr 2022 zu werden, die in Naturphysik Das Institut analysierte hochauflösende Infrarotbilder von Jupiters Zyklonen, die von der NASA-Raumsonde Juno aufgenommen wurden. Die Analyse ergab, dass eine Art von Konvektion, die der auf der Erde ähnelt, dazu beiträgt, Jupiters Stürme aufrechtzuerhalten, die Tausende von Kilometern breit sein und jahrelang andauern können.

Die Studie von 2022 konzentrierte sich direkt auf die Zyklone des Jupiters, aber Siegelman sah auch dünne Ranken, die Forscher als Filamente bezeichnen, in den Räumen zwischen den Gaswirbeln. Diese Filamente hatten auch irdische Analogien, und Siegelman nutzte Junos detaillierte Bilder, um zu untersuchen, ob diese Ähnlichkeit mit den ozeanischen und atmosphärischen Prozessen unseres Planeten nur oberflächlich war.

Veröffentlicht am 6. Juni in Naturphysik Siegelmans Folgestudie findet weitere Ähnlichkeiten zwischen den Prozessen, die Jupiters Zyklone antreiben, und denen, die auf der Erde wirken. Die Studie zeigt, dass die Filamente zwischen Jupiters Zyklonen im Zusammenspiel mit der Konvektion die riesigen Stürme des Planeten fördern und aufrechterhalten. Insbesondere wirken Jupiters Filamente auf eine Weise, die dem ähnelt, was Ozeanographen und Meteorologen Fronten auf der Erde nennen.

Fronten werden in Wettervorhersagen häufig erwähnt – beispielsweise Kaltfronten oder Sturmfronten –, aber sie gelten sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten. Eine Front ist die Grenze zwischen Gas- oder Flüssigkeitsmassen mit unterschiedlicher Dichte aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften wie der Temperatur. Im Ozean können Fronten auch auf Unterschiede im Salzgehalt zurückzuführen sein, der neben der Temperatur auch die Dichte des Meerwassers beeinflusst. Ein wesentliches Merkmal von Fronten ist, dass ihre Vorderkanten starke vertikale Geschwindigkeiten aufweisen, die Winde oder Strömungen erzeugen können.

Um die Rolle der Filamente zu verstehen, die sie in Junos Bildern deutlich zwischen den Zyklonen des Jupiters erkennen konnte, betrachtete Siegelman eine Reihe von Infrarotbildern von Juno. Die Bilder zeigten Jupiters Nordpolregion und wurden in 30-Sekunden-Schritten aufgenommen.

Die Tatsache, dass die Bilder im Infrarotbereich aufgenommen wurden, ermöglichte es Siegelman und ihrem Co-Autor Patrice Klein vom Jet Propulsion Laboratory der NASA, dem California Institute of Technology und der Ecole Normale Superieure, die Temperatur zu berechnen – helle Bereiche waren wärmer und dunkle Bereiche kühler. Auf Jupiter entsprechen die heißeren Teile der Atmosphäre dünnen Wolken und die kälteren Teile einer dicken Wolkendecke, die mehr von der Wärme abhält, die von Jupiters überhitztem Kern ausgeht. Die Forscher verfolgten dann die Bewegung der Wolken und Filamente über die 30-Sekunden-Intervalle zwischen den Aufnahmen, um die horizontalen Windgeschwindigkeiten zu berechnen.

Diese beiden Informationen ermöglichten es Siegelman und Klein, Methoden aus der Meeres- und Atmosphärenforschung auf Jupiter anzuwenden und die vertikalen Windgeschwindigkeiten zu berechnen, die den Temperaturen und horizontalen Windgeschwindigkeiten entsprachen, die die Forscher aus den Bildern ermittelten. Nachdem das Team die vertikalen Windgeschwindigkeiten berechnet hatte, konnte es erkennen, dass sich Jupiters Filamente tatsächlich wie Fronten auf der Erde verhielten.

Diese vertikalen Windgeschwindigkeiten an den Rändern der Fronten auf Jupiter bedeuteten auch, dass die Fronten am Transport von Energie in Form von Wärme aus dem heißen Inneren des Planeten in seine obere Atmosphäre beteiligt waren – und so die riesigen Zyklone antreiben. Obwohl Konvektion der Hauptantrieb ist, sind die Fronten für ein Viertel der gesamten kinetischen Energie verantwortlich, die Jupiters Zyklone antreibt, und für vierzig Prozent des vertikalen Wärmetransports.

„Diese Zyklone an den Polen des Jupiters haben sich gehalten, seit sie 2016 zum ersten Mal beobachtet wurden“, sagte Siegelman. „Diese Filamente zwischen den großen Wirbeln sind relativ klein, aber sie sind ein wichtiger Mechanismus zur Aufrechterhaltung der Zyklone. Es ist faszinierend, dass Fronten und Konvektion auf der Erde und dem Jupiter vorhanden und einflussreich sind – es deutet darauf hin, dass diese Prozesse auch auf anderen turbulenten Flüssigkeitskörpern im Universum vorhanden sein könnten.“

Siegelman sagte auch, dass Jupiters gewaltige Ausmaße und Junos hochauflösende Bilder eine klarere Visualisierung der Art und Weise ermöglichen, wie kleinere Phänomene wie Fronten mit größeren Phänomenen wie Zyklonen und der Atmosphäre im Allgemeinen verbunden sind – Verbindungen, die auf der Erde oft schwer zu beobachten sind, da sie viel kleiner und flüchtiger sind. Sie fügte jedoch hinzu, dass ein lang erwarteter neuer Satellit, der unter Forschern als SWOT bekannt ist, die Beobachtung dieser Art von Meeresphänomenen erheblich erleichtern wird.

„Es hat eine kosmische Schönheit, herauszufinden, dass diese physikalischen Mechanismen der Erde auch auf anderen, weit entfernten Planeten existieren“, sagte Siegelman.