Starke Aurorae auf Jupiter

Eine Heizung für den Gasplaneten

Von Dirk Eidemüller
20.08.2021
, 14:17
Die Farbstufen von weiß zu dunkelrot spiegeln die Temperaturen von Jupiters oberer Atmosphäre wider. Die heißen Aurorae an den Polen transportieren ihre Wärme über Winde zu tieferen Breitengraden.
Warum ist es in der Atmosphäre des Jupiters heißer, als es eigentlich sein dürfte? Forscher haben die Ursache in den ungewöhnlich starken Polarlichtern des Gasplaneten gefunden.
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Schon seit rund einem halben Jahrhundert wundern sich Planetenforscher, warum die oberen Atmosphärenschichten von Jupiter so heiß sind. Der Gasplanet ist rund fünfmal so weit von der Sonne entfernt wie die Erde und erhält demnach nur einen Bruchteil der Strahlungsenergie von unserem Zentralgestirn. Deshalb sollte seine obere Atmosphäre eigentlich eine Temperatur unterhalb von minus 70 Grad Celsius aufweisen. Stattdessen ist es dort im Mittel rund 420 Grad heiß.

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Es gibt nun mehrere Theorien dazu, was die oberen Gasschichten auf dem Riesenplaneten so hitzig werden lässt. Eine populäre Hypothese besteht in Schwerewellen, also wellenförmigen Schwankungen der verschiedenen Luftschichten gegeneinander. In der turbulenten Atmosphäre eines Gasriesen könnten solche Wellen große Mengen an Energie transportieren und die obersten Atmosphärenschichten stark aufheizen. Es wurde auch spekuliert, Wirbelstürme wie der Große Rote Fleck könnten Energie in die obere Atmosphäre schaufeln.

Eine andere Hypothese deutete auf den Einfluss der starken Polarlichter (Aurorae) an den Polkappen hin. Diese sind – aufgrund der enormen Magnetfelder von Jupiter – die stärksten in unserem Sonnensystem. Allerdings war bislang unklar, ob die Energie, die auf diese Weise an den Polen freigesetzt wird, sich auch über die restliche Hochatmosphäre verbreiten kann. Schließlich sagen diverse Atmosphärenmodelle voraus, dass starke Winde entlang der Breitengrade eine Verteilung der heißen Gasmassen über den Großteil des Planeten verhindern sollten.

Temperaturkarten hoher Auflösung

Eine internationale Forschergruppe hat nun starke Indizien dafür gefunden, dass in der Tat die Polarlichter für die hohen Temperaturen verantwortlich sind. Dies berichten die Forscher in der Zeitschrift Nature. Dazu mussten sie die bislang detailliertesten Temperaturkarten von Jupiter erstellen, wozu sie Daten der Raumsonden Juno und Hisaki sowie zwei mehrstündige Observationen mit dem Zehn-Meter-Teleskop „Keck“ auf Hawaii kombinierten. Die letzten derartigen Temperaturkarten stammten aus den Neunzigerjahren und waren nur einige Pixel groß, weshalb sich daraus keine klaren Informationen zur Temperaturverteilung auf Jupiter, insbesondere zwischen seinen Polen und dem Äquator, gewinnen ließen. Dank der zwischenzeitlich erzielten Technologiesprünge haben die neuen Karten eine gut zehnfach höhere Auflösung von nun je rund zwei Grad geografischer Länge und Breite auf Jupiter, und auch die Temperaturdaten sind wesentlich genauer.

Der Planet Jupiter und sein berühmter roter Fleck
Der Planet Jupiter und sein berühmter roter Fleck Bild: dpa

Auf diesen Karten zeichnet sich nicht nur deutlich ab, dass an den Polen bei den Aurorae sehr hohe Temperaturen bis über 700 Grad Celsius herrschen. Es kam auch – wie es manchmal in der Wissenschaft nötig ist – ein bisschen Glück hinzu: Auf einer der beiden hochpräzisen Aufnahmen mit dem Keck-Teleskop zeichnete sich ab, dass gerade heiße Gasmassen vom Pol in Richtung Äquator strömen. Das widerspricht einigen Atmosphärenmodellen, denen zufolge starke Winde entlang der Breitengrade eine solche Ausbreitung unterdrücken sollten. Hätte die Aufnahme an einem anderen Tag stattgefunden, an dem die Strömungsverhältnisse schwächer gewesen wären, so wäre dies laut den Forschern kaum sichtbar gewesen.

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„Die meisten globalen Zirkulationsmodelle von Jupiters oberer Atmosphäre können die Verteilung von Wärme von den Aurorae zum Rest des Planeten nicht erklären“, sagt James O’Donoghue von der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA und Erstautor der Veröffentlichung. Denn die Gasmassen auf Jupiter rotieren extrem schnell – ein Tag hat dort trotz der Planetengröße weniger als zehn Stunden.

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Der Fußabdruck von Jupiters Monden

Die neuen Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Zirkulationsmodelle ergänzt werden müssen, da sie den Gastransport weg von den Polen nicht hinreichend berücksichtigen. Denn die Polarlichter setzen riesige Energiemengen um. Der Ursprung der hellen Leuchterscheinungen liegt nicht nur – wie auf der Erde – im Sonnenwind, der durch die Magnetfeld­linien auf die Pole kanalisiert wird.

Bei Jupiter spielen auch seine Monde eine wichtige Rolle. Vor allem der vulkanisch aktive Io speist viele Partikel in den Orbit des Gasriesen, insbesondere Schwefel- und Sauerstoffionen. Da Jupiters Magnetfeld rund zwanzigmal so stark ist wie jenes der Erde, sorgt dies für spektakuläre Polarlichter, wenn diese Teilchen auf die oberen Atmosphärenschichten prallen. Aber auch andere Monde wie Europa, Ganymed oder Kallisto hinterlassen ihren „Fußabdruck“ in Jupiters Polarlichtern, die deshalb auch beständiger leuchten als diejenigen auf der Erde.)

Um die Strömungsverhältnisse auf Jupiter besser verstehen zu können, werden künftig aber längerfristige hochaufgelöste Messkampagnen erforderlich sein. „Der ganze Planet zeigt eine ziemlich hohe Variabilität, sodass neben einem konstanten Heizprozess auch einzelne Phasen mit starken Strömungen für den Energietransport zum Äquator verantwortlich sein könnten“, sagt O’Donoghue. Dies ließe sich nur mit Messungen über viele Tage einfangen.

Quelle: F.A.Z.
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