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Dienstag, 27.09.2016
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Jupiters Wirbelstürme drehen anders

Computersimulation erklärt Bildung und Drehrichtung von Jupiters Sturmgiganten

Verkehrt herum: Warum sich die gewaltigen Wirbelstürme des Jupiter "verkehrt herum" drehen und wie sie entstehen, haben nun Forscher mit Hilfe eines Computermodells aufgeklärt. Demnach bilden sich diese Gaswirbel nicht durch den Sog von Tiefdruckgebieten, sondern erst dann, wenn aufsteigendes Gas auf höhere, stabile Schichten trifft und dort abgelenkt und verwirbelt wird. Warum aber der Große Rote Fleck und andere Wirbelstürme des Jupiter so langlebig sind, bleibt offen, so die Forscher im Fachmagazin "Nature Geoscience".
Real-Aufnahme Jupiters und eine Computersimulation antizyklonischer (blau) und zyklonischer Winde (rot)

Real-Aufnahme Jupiters und eine Computersimulation antizyklonischer (blau) und zyklonischer Winde (rot)

Die Atmosphäre des Jupiter ist ein ziemlich unruhiger Ort, wie die gut sichtbaren Bänder aus tobenden Stürmen bezeugen. In den Windbändern des Gasriesen rasen Wolken aus gefrorenen Ammoniakkörnchen mit Windgeschwindigkeiten bis zu 550 Kilometern pro Stunde um den Planeten. Vor allem in Äquatornähe kreisen zudem riesige Wirbelstürme wie der bekannte Große Rote Fleck. Während einige dieser Stürme langlebig sind und auf der Stelle zu stehen scheinen, sind andere weitaus wechselhafter.

Modell auf Basis einer zerquetschten Sonde


Wie genau diese Wetterphänomene zustande kommen, lässt sich bisher nur bruchstückhaft erklären. Klar scheint nur, dass sich alle großen Wirbelstürme auf dem Jupiter anders herum drehen als auf der Erde: Sie kreisen entgegengesetzt zur Rotation des Planeten. Warum das so ist, war bisher ebenfalls unklar.

Moritz Heimpel von der University of Alberta in Edmonton und seine Kollegen haben nun mit Hilfe von Computersimulationen die Prozesse in den tieferen Atmosphärenschichten des Jupiter nachgebildet und dort nach der Ursache der Stürme gesucht. Ihr Modell basiert dabei unter anderem auf Daten einer Tochtersonde der NASA-Raumsonde Galileo. Sie drang rund 100 Kilometer in die Atmosphäre des Gasriesen ein, bevor sie vom hohen Druck zerquetscht wurde.


Details des Großen Roten Flecks und einiger Stürme in dessen Umgebung im Falschfarben-Bild

Details des Großen Roten Flecks und einiger Stürme in dessen Umgebung im Falschfarben-Bild

Obere Schichten als Barriere


"Unsere hoch auflösenden Computersimulationen zeigen nun, dass ein Zusammenspiel zwischen den Bewegungen im tiefen Inneren des Planeten und einer äußeren stabilen Schicht entscheidend ist", berichtet Koautor Johannes Wicht vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen. Demnach steigen aus dem Inneren des Jupiter heiße Gaspakete auf, die aber von den äußeren stabilen Atmosphärenschichten wie an einer Barriere aufgehalten werden.

"Nur wenn der Auftrieb des Gaspaketes stark genug ist, kann es in diese Schicht eindringen und breitet sich darin horizontal aus", erklärt Wicht. "Unter dem Einfluss der Planetendrehung wird die horizontale Bewegung verwirbelt, so wie wir es auch bei den Wirbelstürmen auf der Erde beobachten." Ähnliches geschieht bei irdischen Wirbelstürmen: Auch dort verwirbelt die Coriolis-Kraft der Erddrehung aufsteigende Luftmassen.

Ablenkung führt zu Wirbeln


Allerdings gibt es einen entscheidenden Unterschied: Beim Jupiter entstehen die Wirbel erst, wenn aufsteigendes Gas in der oberen Atmosphärenschicht auseinanderstrebt. Auf der Erde hingegen beginnen sie bereits am Boden, wo Luft durch ein lokales Tiefdruckgebiet angezogen wird und dann aufströmt. Dieser Unterschied führt dazu, dass sich die Zyklone von Jupiter und Erde in entgegengesetzter Richtung drehen.

Und noch etwas zeigte das Modell: Auf dem Jupiter kommt es nicht überall zu einer solchen Wirbelsturm-Bildung, sondern bevorzugt in der Nähe der Pole und in bestimmten Bändern ober- und unterhalb des Äquators. Dabei nimmt die Größe der Wirbel mit der Entfernung zum Äquator ab. "Die Regionen werden durch die Dynamik im Inneren des Planeten bestimmt, insbesondere durch die Wechselwirkung der aufsteigenden Gaspakete mit den ostwärts und westwärts gerichteten Windbändern", erklärt Wicht.

Eines allerdings können die Forscher selbst mit ihrer Simulation nicht erklären: Warum einige der Wirbelstürme auf dem Jupiter so langlebig sind. Immerhin gibt es den Großen Roten Fleck schon mehr als 350 Jahre – mindestens. "Wir beginnen gerade erst, die Wetterphänomene des Jupiter zu verstehen", betont Wicht. Mehr Aufschluss könnte der Polar Orbiter liefern, eine Tochtersonde der Juno-Mission der NASA, die im Juli 2016 den Jupiter erreichen wird. (Nature Geoscience, 2015; doi: 10.1038/ngeo2601)
(Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung/ Nature, 01.12.2015 - NPO)
 
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