Jupiter – Atmosphäre

Jupiter ist von der Sonne aus gesehen der erste der vier großen Gasplaneten, zu denen außer ihm noch Saturn, Uranus und Neptun gehören. Aufgrund ihrer schieren Größe werden Jupiter und Saturn sogar als Gasriesen bezeichnet. Wie alle Gasplaneten besitzt auch Jupiter keine feste Oberfläche. Als "Oberfläche" wird definitionsgemäß die Atmosphärenschicht angesehen, in der der Druck ein Bar beträgt, also die Schicht, die dem irdischen Luftdruck am Boden entspricht. Seine Atmosphäre besteht größtenteils aus Wasserstoff (ca. 90 Prozent) und Helium (ca. 10 Prozent), allerdings konnte eine Vielzahl chemischer Verbindungen und anderer Elemente, etwa Edelgase nachgewiesen werden, deren Anteile aber sehr gering sind.

Hauptbestandteile der oberen Jupiteratmosphäre (in Volumenprozent)
Wasserstoff 89,8 ± 2 %
Helium 10,2 ± 2 %
Methan 0,3 ± 0,2 %
Ammoniakverbindungen
Schwefelverbindungen
Sauerstoffverbindungen
Edelgase
sonstige Elemente
geringe Spuren
Weg der Kapsel durch die Jupiteratmosphäre (Courtesy of NASA / Ames Research Center)
Weg der Kapsel durch die Jupiteratmosphäre (Courtesy of NASA / Ames Research Center)

Links: Zur Galileo-Mission gehörte auch das Aussetzen einer kleinen Kapsel, die an einem Fallschirm durch die Atmosphäre des Gasriesen sinken sollte. Dieses Vorhaben wurde am 7. Dezember 1995 in die Tat umgesetzt. Die Kapsel trat zunächst mit einer Geschwindigkeit von 140.000 Kilometern pro Stunde in die oberen Schichten der Atmosphäre ein. Die reibungsbedingte Bremswirkung war extrem hoch, so dass die Kapsel bereits nach zwei Minuten nur noch etwa 3.000 Kilometer pro Stunde schnell war. Der erste Fallschirm öffnete sich nach knapp drei Minuten, gefolgt vom Hauptfallschirm. Die Höhe betrug zu dem Zeitpunkt 23 Kilometer, ausgehend vom definierten Nullniveau Jupiters, wo der Druckmesser ein Bar anzeigen würde. Beim Auslösen der beiden Fallschirme registrierten die Instrumente indirekt einen Druck von 0,4 Bar und eine Temperatur von -145 Grad Celsius. Einige Sekunden später wurde der Hitzeschild angeworfen und in einer Höhe von 21 Kilometern begannen die Instrumente mit ihren direkten Messungen der Umgebungsparameter.

Nach weiteren fünf Kilometern Sinkflug empfing der Galileo-Orbiter die Radiosignale der Kapsel und startete die Speicherung der Daten, beziehungsweise deren Übertragung zur Erde. Der Druck lag hier bei 0,56 Bar, die Temperatur war um 10 Grad Celsius auf -135 Grad Celsius angestiegen. Nach rund 6,5 Minuten Sinkflug erreichte die Kapsel das Nullniveau des Planeten, wo der Druck genau ein Bar beträgt. Die Temperatur war weiter angestiegen und lag jetzt bei -107 Grad Celsius. Drei Minuten später stieß die Kapsel in die Wolkenschichten vor, die man auf Bildern des Riesenplaneten als dessen "Oberfläche" wahrnimmt. Da sie sich nun unterhalb des Nullniveaus befand, wird die Höhe negativ angegeben. Die Wolkenschichten liegen in -18 Kilometern Höhe, also 18 Kilometer unter dem Nullniveau. Die gemessene Temperatur betrug -80 Grad Celsius und der Druckmesser zeigte 1,6 Bar an. Der Temperaturanstieg setzte sich weiter fort, bis er 56 Kilometer unter dem Nullniveau den Gefrierpunkt von Wasser, Null Grad Celsius, erreichte. Der Druck war hier bereits auf den fünffachen irdischen Luftdruck am Boden angewachsen. Der Kontakt riss knapp 61,5 Minuten nach dem Absetzen der Kapsel ab. Die Temperatur war auf 152 Grad Celsius angestiegen und der Druck lag bei 22 Bar, was offenbar die Belastungsgrenze der Kapsel überschritt. Sie wurde 146 Kilometer unter dem Nullniveau zerquetscht.

Struktur der oberen Jupiteratmosphäre (Courtesy of NASA / Ames Research Center)
Struktur der oberen Jupiteratmosphäre (Courtesy of NASA / Ames Research Center)

Links: Dieses Diagramm zeigt den Temperaturverlauf in Abhängigkeit von der Höhe (respektive der Tiefe), basierend auf den Daten, welche die Galileo-Kapsel aufgezeichnet hat. Man sieht, dass die Temperatur in den obersten Schichten, wo die Atmosphäre fließend in den offenen Weltraum übergeht, mit knapp 1.000 Grad Celsius sehr hoch ist. Diese Messungen beziehen sich aber nur auf die Geschwindigkeit der dort herumfliegenden Moleküle und Atome. Die Dichte und der atmosphärische Druck ist sehr klein, weshalb man die 1.000 Grad Celsius trotzdem nur als "kalt" empfinden würde. In den äußeren Schichten der Erdatmosphäre geschieht Vergleichbares. In der Atmosphäre des Jupiter gibt es – analog zur Erdatmosphäre – auch einen Temperaturabfall: Innerhalb einer Höhendifferenz von rund 800 Kilometern sinkt die Temperatur auf -145 Grad Celsius. Darunter steigt sie langsam wieder an.

Die Dynamik der Jupiteratmosphäre ist hochkomplex. Ein Grund dafür ist die so genannte differenzielle Rotation des Gasriesen. Die verschiedenen Wolkenbänder rotieren unterschiedlich schnell – und zum Teil in entgegengesetzte Richtungen. Die schnellsten Rotationsperioden kommen in den Äquatorregionen Jupiters vor, während die Polarregionen am langsamsten rotieren. Man teilt den Planeten daher in zwei Systeme ein: Die Äquatorregion ist System I und die Polarregionen werden als System II bezeichnet. Dies führt zu gigantischen Wirbelstürmen, wie dem berühmten Großen Roten Fleck, oder enorm starken Winden, die sowohl horizontal als auch vertikal wehen.

"Karte" der Jupiteratmosphäre (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)
"Karte" der Jupiteratmosphäre (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)
Jupiters Nordpolarregion (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)
Jupiters Nordpolarregion (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)
Jupiters Südpolarregion (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)
Jupiters Südpolarregion (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)

Oben: Dies sind die bislang genausten Karten vom gesamten Erscheinungsbild des Gasriesen und seiner sichtbaren Atmosphäre. Die NASA-Sonde "Cassini" hat sie im Dezember 2000 angefertigt, als sie auf ihrem Weg zum Saturn den Jupiter passierte. Die charakteristischen hellen und dunklen Wolkenbänder und der Große Rote Fleck, sowie mehrere andere Sturmsysteme sind deutlich zu erkennen. Wegen der Dynamik und der gegenseitigen Beinflussung der Wolkenbänder und Sturmsysteme handelt es sich bei diesen Karten aber nur um Momentaufnahmen. Die grundlegende Struktur aus sich abwechselnden Wolkenbändern bleibt zwar erhalten, jedoch kann sich die Helligkeit der einzelnen Wolkenbänder verstärken oder auch abschwächen. Um sich die gewaltige Größe von Jupiter vor Augen zu führen, kann man den Großen Roten Fleck heranziehen – er ist ungefähr doppelt so groß wie die gesamte Erde.

Animierte Karte der Jupiteratmosphäre (Courtesy of NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)
Animierte Karte der Jupiteratmosphäre (Courtesy of NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)

Oben: Die animierte Karte demonstriert in beeindruckender Weise, welche Dynamik und Komplexität in der Jupiteratmosphäre herrscht. Die Karten wurden Anfang 2007 von der Sonde "New Horizons" aufgenommen, die sich auf dem Weg zu dem Zwergplaneten Pluto befindet und ihre Begegnung mit Jupiter quasi als Katapult nutzte. Die animierte Karte beinhaltet nicht die beiden Polarregionen Jupiters, weil der Beobachtungswinkel zu dem Zeitpunkt sehr ungünstig war.

Die Animation umfasst eine komplette Rotationsperiode Jupiters, also knapp 10 Stunden. Bei 10 Grad nördlicher Breite sind ausgedehnte Wolkenformationen zu erkennen, deren Entstehung wahrscheinlich auf das Aufsteigen von ammoniakreicher "Luft" zurückzuführen ist. Das Ammoniak kondensiert in den oberen Schichten und bildet die großflächen Wolken, die sich auflösen, wenn die Ammoniakkristalle wieder hinabsinken. Was den Großen Roten Fleck betrifft, kann man in der Animation sehr gut seine Rotation gegen den Uhrzeigersinn und seine westwärts gerichtete Bewegung sehen.

Eine umfangreichere Animation (in Farbe) wurde auf Grundlage von Daten zusammengestellt, welche die Raumsonde Cassini während ihres Flyby-Manövers am Jupiter gesammelt hat. Der Link http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA02863 führt direkt zur Seite mit der Animation und den entsprechenden Erläuterungen (in englischer Sprache).

Infrarotaufnahmen der Region um den Großten Roten Fleck (Courtesy of NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)
Infrarotaufnahmen der Region um den Großten Roten Fleck (Courtesy of NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute)

Links: Bei der Untersuchung von fremden Planeten mittels Raumsonden leisten Infrarotkameras- und Spektrometer einen bedeutenden Teil der Arbeit. "New Horizons" hat daher auch ein solches Instrument an Bord. Mit seiner Hilfe konnten die Wissenschaftler viele neue Daten über bestimmte Vorgänge in der Jupiteratmosphäre sammeln und daraus neue Erkenntnisse gewinnen. Dabei macht man es sich zunutze, dass das Infrarotlicht verschiedener Wellenlängen unterschiedlich tief in die Atmosphäre eindringen kann. So kann man beispielsweise hochliegende Wolkenschichten von tiefer liegenden Schichten unterscheiden. Bläulich-weiße Gebiete zeugen im vorliegenden Fall (links) von hochliegenden Schichten.

Der Große Rote Fleck erscheint auf dem Bild hell, das bedeutet, dass er sich weit über die umgebenden Gasmassen hinaus in die Höhe erstreckt. Ähnlich hoch liegende Wolkenbänder befinden sich in der nördlichen Hemisphäre Jupiters. Rötlich-braune Farbtöne deuten auf tief liegende Wolkenschichten hin. Die rechte Aufnahme zeigt das Areal in anderen infraroten Wellenlängen, in denen die hochliegenden Dunstschichten der Südpolarregion hervortreten und beobachtet werden können. Die beiden Bilder repräsentieren aber nur einen kleinen Teil des Infrarotspektrums, das mit modernen Instrumenten analysiert werden kann. Die eigentliche Datenmenge ist ungleich größer, was eine detaillierte Untersuchung der einzelnen Atmosphärenschichten und ihrer Wechsel-wirkungen ermöglicht.

Infrarotbild von atmosphärischen Störungen (Courtesy of NASA / JPL / IRTF)
Infrarotbild von atmosphärischen Störungen (Courtesy of NASA / JPL / IRTF)

Links: Jupiter strahlt ungeheure Mengen an Wärmeenergie ab. Die emittierte Wärmestrahlung spielt offenbar eine tragende Rolle bei der Entstehung von atmosphärischen Störungen und Sturmsystemen. Die beiden hellen Gebiete in der nördlichen Hemisphäre sind riesige Sturmsysteme, die innerhalb der Wasserdampfwolkenschicht entstanden. Die Wolken bewegten sich vom Sturm getrieben nach oben, wo sie rund 30 Kilometer über den sichtbaren Wolken große Mengen an Ammoniakeis und Wasser abgaben. Die Sturmsysteme bewegen sich inmitten eines Jetstreams, der mit rund 600 Kilometern pro Stunde den Planeten umrundet. Computermodelle legen nahe, dass sich dieser Jetstream bis in die tieferen Atmosphärenschichten erstreckt, möglicherweise bis in Tiefen von 100 Kilometern, wo bereits ein Großteil des Sonnenlichts absorbiert wird. Das Bild stammt von der NASA Infrared Telescope Facility (IRTF), einem leistungsfähigen Infrarot-Teleskop auf dem Gipfel des Mauna Kea (Hawaii). Die Beobachtung der Jupiteratmosphäre hilft auch, meteorologische Phänomene und Ereignisse auf der Erde besser zu verstehen, selbst wenn sie auf unserem Heimatplaneten in wesentlich kleinerem Maßstab stattfinden.

Erster Nachweis von Ammoniak-Eis-Wolken (Courtesy of NASA / JPL)
Erster Nachweis von Ammoniak-Eis-Wolken (Courtesy of NASA / JPL)

Links: Der erstmalige Nachweis von Wolken aus Ammoniak-Eis, erbracht am 26. Juni 1996 vom Nah-Infrarot-Spektrometer an Bord des Galileo-Orbiters: In der Falschfarbenaufnahme werden hochliegende Wolken durch kräftiges Rot-Orange dargestellt, das eindrucksvollste Beispiel dafür ist der Große Rote Fleck. Grüne Farbtöne repräsentieren tief liegende Wolken. Die erwähnten Ammoniak-Eis-Wolken liegen nordwestlich der Großen Roten Flecks und sind in bläulichen Farben hervorgehoben. Mittlerweile werden die Ammoniakwolken sehr regelmäßig beobachtet.

Jupiters Großer Roter Fleck (Courtesy of NASA / JPL / Cornell University)
Jupiters Großer Roter Fleck (Courtesy of NASA / JPL / Cornell University)

Links: Ebenfalls am 26. Juni 1996 nahm die Kamera des Galileo-Orbiters dieses Foto des Großen Roten Flecks (GRF) auf. Der GRF ist mit Abstand das größte Sturmsystem des gesamten Sonnensystems. Mit einer Nord-Süd-Ausdehnung von über 20.000 Kilometern und einer Ost-West-Ausdehnung von über 40.000 Kilometern ist es mehr als doppelt so groß wie die Erde. Zugleich ist der gigantische Wirbelsturm auch das beständigste Sturmsystem. Bereits vor rund 350 Jahren wurde der GRF als Merkmal der Oberfläche Jupiters auf Skizzen und Zeichnungen festgehalten. Seine Langlebigkeit erklärt sich zum Teil durch die gewaltige Energiemenge, die in den rotierenden Gasmassen steckt. Sie sorgt dafür, dass der Wirbel stabil bleibt und kleinere Stürme einfach verschlucken kann, ohne selbst an Stabilität einzubüßen und sich infolgedessen aufzulösen.

Der Große Rote Fleck verschluckt einen kleineren Wirbelsturm (Courtesy of NASA / ESA / A. Simon-Miller (Goddard Space Flight Center) / N. Chanover (New Mexico State University) / G. Orton (JPL))
Der Große Rote Fleck verschluckt einen kleineren Wirbelsturm (Courtesy of NASA / ESA / A. Simon-Miller (Goddard Space Flight Center) / N. Chanover (New Mexico State University) / G. Orton (JPL))

Oben: Die Fotoserie wurde mit dem Hubble-Weltraumteleskop gemacht. Sie zeigt, wie der Große Rote Fleck einen kleineren, ebenfalls rötlich gefärbten Wirbelsturm verschluckt. Am 15. Mai 2008 konnte man in der Umgebung des Großen Roten Flecks noch zwei weitere Wirbelstürme ausmachen – beide waren wesentlich kleiner aber der "Kleine Rote Fleck" (südwestlich des GRF) ist immerhin noch fast so groß wie die Erdkugel. Der dritte Wirbelsturm liegt westlich des GRF und erscheint in kräftigen Orangetönen. Am 28. Juni haben sich die drei Wirbelstürme schon aneinander angenähert. Der Kleine Rote Fleck befindet sich jetzt direkt südlich seines großen Bruders. Wenige Tage später, am 8. Juli 2008, hat der Kleine Rote Fleck den GRF unbeschadet passiert. Der kleine, rote Wirbelsturm westlich des GRF wurde aber von selbigem aufgesaugt und auseinander gerissen. Der schwarze Pfeil im rechten Bild deutet auf die zerfetzten Überreste des "Roten Miniflecks". Das regelmäßige Aufsaugen von kleinen und mittleren Wirbelstürmen könnte sich ebenso positiv auf die langfristige Stabilität des GRF auswirken.

Jupiters Großer Roter Fleck (Courtesy of ESA / Hubble)
Jupiters Großer Roter Fleck (Courtesy of ESA / Hubble)

Links: In der ersten Jahreshälfte 2010 erschien der Große Rote Fleck in dunkelroten Farben, was ungewöhnlich ist, weil er normalerweise in orangefarbenen Tönen leuchtet. Die Wissenschaftler vermuten einen Zusammenhang zwischen der dunkleren Farbe des Sturmsystems und dem Verschwinden von Jupiters so genanntem Südlichen Äquatorband. Dieses Band liegt, wie der Name schon andeutet, in der südlichem Hemisphäre und setzt sich aufgrund seiner bräunlichen Färbung von den umgebenden hellen Wolkenbändern ab. Das Südliche Äquatorband und der angrenzende GRF sind ein beliebtes Beobachtungsobjekt für Amateurastronomen, deswegen fiel auch einem solchen das blasser gewordene Band zuerst auf. Den majestätischen Anblick Jupiters wird das Fehlen des Wolkenbandes aber vermutlich nicht lange schmälern. Bereits 1973 und in den 1990er Jahren wurde das völlige Verschwinden des Südlichen Äquatorbandes registriert, aber nach ungefähr ein bis zwei Jahren war es wieder da. Und auch jetzt zeichnet sich ab, dass sich die hochliegenden hellen Ammoniak-Eis-Wolken langsam auflösen und das noch verdeckte dunkle Äquatorband in absehbarer Zeit wieder preisgeben werden.

Während man früher dachte, dass der GRF zwar enorm groß, aber trotzdem recht strukturlos sei, hat sich diese Annahme mit der Verwendung besserer Beobachtungsinstrumente als falsch herausgestellt. Genau betrachtet ist der GRF ein riesiger Antizyklon, der mit einer Temperatur von -160 Grad Celsius etwas kälter als seine Umgebung ist. Seine äußeren Gebiete rotieren gegen den Uhrzeigersinn. Neuen Untersuchungen zufolge rotieren bestimmte Zonen in seinem Inneren aber mit dem Uhrzeigersinn, woraus sich im Zusammenspiel sehr komplexe Systeme aus horizontalen und auch vertikalen Winden ergeben. Auf hochauflösenden Infrarotbildern des GRF konnten die Wissenschaftler schmale, dunkle Streifen in dessen Randzonen erkennen. Man vermutet, dass sich die Gasmassen in diesen Streifen abkühlen und nach unten sinken, wodurch ein stetiger Kreislauf entsteht. Die Rot-Orange-Färbung des Sturmsystems bleibt allerdings nach wie vor rätselhaft. Mehrere Forschungsteams befassten sich mit diesem Sachverhalt. Wechselwirkungen mit der ultravioletten Strahlung wurden genauso in Betracht gezogen, wie das Vorhandensein von überdurchschnittlich hohen Konzentrationen verschiedener chemischer Elemente. Bisher hat man die Ursache allerdings noch nicht feststellen können.

Blitze in der Jupiteratmosphäre (Courtesy of NASA / JPL)
Blitze in der Jupiteratmosphäre (Courtesy of NASA / JPL)

Links: Mit Hilfe der Galileo-Sonde konnte auch die Existenz von intensiven Blitzen in der Jupiteratmosphäre nochmals bestätigt werden. Bereits von den beiden Voyager-Sonden wurde eine rege Blitzaktivität in der Atmosphäre des Riesenplaneten festgestellt. Der größte der hier eingekreisten "Flecken" misst 500 Kilometer im Durchmesser. Es handelt sich dabei entweder um multiple Blitzentladungen in einem Gewittersturm, oder um starke Einzelentladungen, welche die weit darüberliegenden Wolkenformationen von unten anstrahlen. Die betreffenden Regionen mit Blitzaktivitäten sind leicht in Ost-West-Richtung gedehnt, was zum einen auf die schnelle Rotation Jupiters zurückgeführt werden kann und zum anderen an der Perspektive der Galileo-Sonde zum Zeitpunkt der Aufnahme liegt.

Wirbelstürme und Blitze sind aber nicht die einzigen Phänomene in Jupiters Atmosphäre, die auch auf der Erde vorkommen. Der Gasriese besitzt ein enorm starkes Magnetfeld, was – analog zur Erde – zur Entstehung von Polarlichtern führt. Die Dimensionen von Jupiters Polarlichtern sind wie bei seinen Wirbelstürmen natürlich erheblich größer als auf der Erde, aber das Entstehungsprinzip ist identisch: Elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwindes werden vom planetaren Magnetfeld in die Nord- und Südpolarregionen des Planeten gelenkt, wo sie in die oberen Atmosphärenschichten eintreten. Dort kollidieren sie mit Gasmolekülen und regen diese zum Leuchten an.

Aurora in der Nordpolarregion Jupiters (Courtesy of NASA / Hubble Heritage Team (STScI/AURA) Acknowledgment: NASA/ESA, John Clarke (Univ. of Michigan))
Aurora in der Nordpolarregion Jupiters (Courtesy of NASA / Hubble Heritage Team (STScI/AURA) Acknowledgment: NASA/ESA, John Clarke (Univ. of Michigan))

Oben: Vom Weltraumteleskop "Hubble" stammt diese beeindruckende Aufnahme von Nordpolarlichtern auf Jupiter. Der Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) des Hubble-Teleskops fotografierte den Gasriesen am 26. November 1998 im ultravioletten Spektralbereich, in dem die Polarlichter besonders deutlich sichtbar werden. In der leuchtenden Krone hätte unser Heimatplanet sogar mehrfach Platz. Die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler liegt speziell auf den drei punktförmigen Quellen für ultraviolette Strahlung, die man rechts unten und nahe der Bildmitte erkennen kann. Es sind quasi die "elektrischen Fußabdrücke" der drei Monde Ganymed (etwas rechts unterhalb der Bildmitte), Europa (fast direkt unterhalb von Ganymeds Abdruck) und Io (rechts von Europas Abdruck). Die Trabanten erzeugen elektrische Ströme in Jupiters Magnetfeld, an deren Berührungspunkten mit der Hochatmosphäre ebenfalls ultraviolette Strahlung entsteht. Dieses Phänomen gibt es im Erde-Mond-System nicht.