Raumsonde und Bodenteleskope arbeiten zusammen, um uns atemberaubende neue Bilder von Jupiter zu liefern
Es ist schwer, sich das Ausmaß der Stürme auf Jupiter vorzustellen. Das sichtbarste atmosphärische Merkmal des Gasriesen, der Großer roter Fleck , mag kleiner werden, aber vor hundert Jahren hatte es einen Durchmesser von etwa 40.000 km (25.000 Meilen) oder das Dreifache des Erddurchmessers.
Die Atmosphäre des Jupiter weist auch Gewitter auf, die fünfmal höher sind als die der Erde: satte 64 km (40 Meilen) von unten nach oben. Seine Atmosphäre ist nicht vollständig verstanden, obwohl die Juno-Raumsonde der NASA unser Verständnis vorantreibt. Der Planet kann seltsame Dinge wie eine Schicht flüssigen metallischen Wasserstoffs enthalten.
Jetzt kombiniert eine Gruppe von Wissenschaftlern die Leistung des Hubble-Weltraumteleskops, des Gemini-Observatoriums und der Raumsonde Juno, um die Atmosphäre des Jupiter und die beeindruckenden Stürme, die dort ausbrechen, zu untersuchen.
„Wir wollen wissen, wie die Atmosphäre des Jupiter funktioniert.“
Michael Wong, UC Berkeley
Michael Wong von der UC Berkeley leitet das Team hinter dieser Arbeit. Zum Team gehören Imke de Pater, die ebenfalls an der UC Berkeley arbeitet, und Amy Simon. Simon ist vom Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA.
Das Team kombiniert Nahaufnahmen von Jupiter, die von Juno bereitgestellt wurden, mit Multiwellenlängen-Beobachtungen vom Hubble und dem Gemini-Observatorium. Die Ergebnisse ihrer Arbeit werden in einem Papier mit dem Titel „ Hochauflösende UV/Optische/IR-Bildgebung des Jupiter in den Jahren 2016–2019 .“ Es wurde im Astrophysical Journal: Supplement Series veröffentlicht.
In einer Pressemitteilung fasste Wong das Projekt zusammen und sagte: 'Wir möchten wissen, wie die Atmosphäre von Jupiter funktioniert.'
Die Atmosphäre des Jupiter befindet sich in einem ständigen Aufruhr, und das Ausmaß der Stürme stellt die auf der Erde in den Schatten. Diese Stürme beinhalten massive Blitze, die bis zu dreimal energischer sind als unsere. Glücklicherweise sind diese Bolzen wie Funksender, und Juno kann sie hören. Alle 53 Tage führt die Raumsonde einen Vorbeiflug am Jupiter durch.
Die Umlaufbahn von Juno um Jupiter wird stark elliptisch sein, da sie mit den starken Strahlungsgürteln von Jupiter konkurriert. Wenn es sich in der Nähe von Jupiter befindet, kann es Signale von Jupiters Stürmen „hören“. Bild: NASA/JPL
Zu diesen Zeiten kann es die Bolzen und ihre Funksignale, die als „Sferics“ (kurz für „Radio Atmosphärische Signale“) und „Whistlers“ bekannt sind, „hören“. Wissenschaftler verwenden diese Signale, um die Blitze tief in der enormen Atmosphäre des Jupiter zu kartieren, selbst wenn sie nicht sichtbar sind.
Hubble und Gemini nehmen an diesem neuen kombinierten Beobachtungsprogramm teil. Jedes Mal, wenn Juno sich Jupiter nähert und die Signale der Lichtblitze hört, nehmen Hubble und Gemini globale Bilder des Planeten auf. Diese Bilder sind der Schlüssel zur Interpretation und zum Verständnis der Daten von Juno.
„Das Mikrowellen-Radiometer von Juno tastet tief in die Atmosphäre des Planeten ab, indem es hochfrequente Radiowellen erkennt, die die dicken Wolkenschichten durchdringen können“, erklärte Simon in a Pressemitteilung . „Die Daten von Hubble und Gemini können uns sagen, wie dick die Wolken sind und wie tief wir in die Wolken sehen.“
Eines der 8,1-Meter-Teleskope des Gemini-Observatoriums, über dem sich die Milchstraße wölbt. Bildquelle: Gemini Observatory/AURA Bild von Joy Pollard
Die Methode des Teams verwendet Hubble-Bilder mit sichtbarem Licht und Gemini-Wärmebild-Infrarotbilder. Die Bilder werden kombiniert und die Juno-Blitze werden auf die Bilder abgebildet. Als Ergebnis hat das Wissenschaftlerteam gezeigt, wie Blitzstürme „mit einer dreifachen Kombination von Wolkenstrukturen verbunden sind: tiefe Wolken aus Wasser, große Konvektionstürme, die durch das Aufsteigen von feuchter Luft verursacht werden – im Wesentlichen Jupitergewitter – und vermutlich klare Regionen“. verursacht durch das Absinken trockener Luft außerhalb der Konvektionstürme.“
Diese Grafik zeigt Beobachtungen und Interpretationen von Wolkenstrukturen und atmosphärischer Zirkulation auf Jupiter von der Raumsonde Juno, dem Hubble-Weltraumteleskop und dem Gemini-Observatorium. Durch die Kombination der Juno-, Hubble- und Gemini-Daten können die Forscher sehen, dass sich Blitze in turbulenten Regionen gruppieren, in denen es tiefe Wasserwolken gibt und wo feuchte Luft aufsteigt, um hohe Konvektionstürme zu bilden, die den Cumulonimbus-Wolken (Gewitterwolken) auf der Erde ähneln. Die untere Abbildung von Blitzen, Konvektionstürmen, tiefen Wasserwolken und Lichtungen in der Atmosphäre des Jupiter basiert auf Daten von Juno, Hubble und Gemini und entspricht dem Transekt (winklige weiße Linie), der auf den Kartendetails von Hubble und Gemini angegeben ist. Die Kombination der Beobachtungen kann verwendet werden, um die Wolkenstruktur in drei Dimensionen abzubilden und auf Details der atmosphärischen Zirkulation zu schließen. Wo feuchte Luft aufsteigt, bilden sich dicke, hoch aufragende Wolken (Auftrieb und aktive Konvektion). Dort, wo trockene Luft nach unten sinkt, bilden sich Lichtungen (Downwelling). Die gezeigten Wolken steigen fünfmal höher auf als ähnliche Konvektionstürme in der relativ flachen Atmosphäre der Erde. Die dargestellte Region deckt eine horizontale Spannweite ab, die um ein Drittel größer ist als die der kontinentalen Vereinigten Staaten.
Credits: NASA, ESA, M.H. Wong (UC Berkeley), A. James und M. W. Carruthers (STScI) und S. Brown (JPL)
Die Hubble-Daten zeigen die Höhe der dicken Wolken in den Konvektionstürmen sowie die Tiefe der Tiefwasserwolken. Die Gemini-Daten zeigen deutlich die Lichtungen in den Hochwolken, wo es möglich ist, einen Blick auf die tiefen Wasserwolken zu werfen.
In der Pressemitteilung erläuterte Wong einige der Ergebnisse des Teams. Wong sagt, dass es in der Atmosphäre des Jupiter eine Art von Bereich gibt, der f . genannt wird alte filamentäre Region . Hier findet feuchte Konvektion statt und Blitze sind üblich. „Diese zyklonischen Wirbel könnten interne Energie-Schornsteine sein, die dazu beitragen, interne Energie durch Konvektion freizusetzen“, sagte er. „Das passiert nicht überall, aber irgendetwas an diesen Zyklonen scheint die Konvektion zu erleichtern.“
Ein Juno-Bild von Jupiter, das eine gefaltete Filamentregion zeigt. Es ist eine stürmische und chaotische Region auf der Nordhalbkugel des Planeten. Bildquelle: Bilddaten: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS
Bildbearbeitung von Kevin M. Gill, © CC BY
Jupiter ist der größte Planet des Sonnensystems, und wenn wir mehr darüber erfahren, erfahren wir mehr über den Rest des Sonnensystems. Durch die Korrelation von Blitzen mit tiefen Wasserwolken können Forscher besser abschätzen, wie viel Wasser sich in der Atmosphäre des Jupiter befindet. Das ist wichtig, weil es Hinweise darauf gibt, wie Jupiter entstanden ist. Nicht nur Jupiter, sondern auch andere Gasriesen, sogar das Sonnensystem selbst.
Und obwohl Wissenschaftler Jupiter intensiv studiert haben, wissen sie vieles nicht. Ganz oben auf der Liste könnte die Frage stehen, wie viel Wasser es in seiner tiefen Atmosphäre hat. Wir haben auch kein solides Verständnis dafür, wie Wärme aus dem Inneren fließt und was die Farben und Formen der Wolken verursacht. Diese neue Anstrengung gibt ein Verständnis dafür, wie die Atmosphäre des Jupiter strukturiert ist und wie sie sich verhält.
Jupiter bildete sich wahrscheinlich im äußeren Sonnensystem, wanderte dann näher zur Sonne, bevor er in seiner aktuellen Umlaufbahn landete. Jupiters Südpol, aufgenommen während eines Juno-Vorbeiflugs, 16. Dezember 2017. Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / David Marriott
Das am meisten beobachtete Merkmal von Jupiter muss der . sein Großer roter Fleck (GRS), eine verblüffende Form, die Menschen seit mindestens 1830 beobachten.
Dank all der Aufmerksamkeit, die Jupiter vom Hubble und von Gemini erhält, untersuchen Wissenschaftler kurzfristige Veränderungen im GRS. Es gibt dunkle Merkmale im GRS, die Astronomen beim Kommen und Gehen in Bildern gesehen haben. Aber dieses Beobachtungsprogramm bietet Astronomen die einzigartige Gelegenheit, diese Merkmale genauer zu beobachten.
Die obigen Bilder des Großen Roten Flecks des Jupiter wurden mit Daten erstellt, die vom Hubble-Weltraumteleskop und dem Gemini-Observatorium am 1. April 2018 gesammelt wurden. Durch die Kombination von Beobachtungen, die fast gleichzeitig von den beiden verschiedenen Observatorien aufgenommen wurden, konnten Astronomen feststellen, dass es dunkel Merkmale des Großen Roten Flecks sind eher Löcher in den Wolken als Massen von dunklem Material. Bildquelle: NASA, ESA und M.H. Wong (UC Berkeley) und Team.
Wie sich herausstellt, sind diese dunklen Merkmale, die im sichtbaren Licht erscheinen, im Infrarot das Gegenteil: Sie sind stattdessen helle Flecken. Das bedeutet, dass sie tatsächlich Löcher in den Wolken sind. Wärme aus den tieferen Schichten des Jupiter entweicht durch die Löcher in den Wolken, die in Infrarotbildern von Zwillingen leicht zu sehen sind.
'Es ist eine Art Kürbislaterne', sagte Wong. „Man sieht helles Infrarotlicht aus wolkenfreien Bereichen, aber wo Wolken sind, ist es im Infraroten wirklich dunkel.“
Die Studie skizziert, wie andere Merkmale in der Atmosphäre des Jupiter funktionieren, insbesondere wie verschiedene Chemikalien durch die Atmosphäre zirkulieren, Änderungen der Windrichtung und die Natur von Wirbelstürmen unterschiedlicher Größe. Die Autoren betonen, wie effektiv die kombinierte Beobachtungskraft von Hubble, Zwillinge und Juno einige der Geheimnisse des Jupiter entschlüsselt.
„Da wir jetzt routinemäßig diese hochauflösenden Ansichten von einigen verschiedenen Observatorien und Wellenlängen haben, lernen wir so viel mehr über das Wetter des Jupiter“, erklärte Simon. „Dies ist unser Äquivalent zu einem Wettersatelliten. Wir können endlich damit beginnen, Wetterzyklen zu untersuchen.“
Es gibt noch viel mehr wissenschaftliche Arbeit mit den Daten, die Wong und das Team gesammelt haben. Es gibt keine Möglichkeit, alle Entdeckungen zu antizipieren, zu denen dies führen könnte. Die Daten der Cassini-Mission führen immer noch zu neuen Entdeckungen über Saturn und seine Monde, und das gleiche könnte für Juno gelten, wenn seine Mission beendet ist. Das Team hinter dieser Studie macht alle ihre Daten zugänglich, damit andere in ihrer eigenen Arbeit darauf zugreifen können.
„Wichtig ist, dass es uns gelungen ist, diesen riesigen Datensatz zu sammeln, der die Juno-Mission unterstützt. Es gibt so viele Anwendungen des Datensatzes, die wir vielleicht nicht einmal erwarten. Wir werden es also anderen Menschen ermöglichen, Wissenschaft zu betreiben, ohne dass sie selbst herausfinden müssen, wie sie die Daten verarbeiten sollen“, sagte Wong.
