Jenseits unseres Sonnensystems „ Frostlinie “ – die Region, in der flüchtige Stoffe wie Wasser, Ammoniak und Methan zu gefrieren beginnen – befinden sich vier massereiche Planeten. Obwohl sich diese Planeten – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – in Größe, Masse und Zusammensetzung unterscheiden, teilen sie alle bestimmte Eigenschaften, die dazu führen, dass sie sich stark von den Planeten unterscheiden terrestrische Planeten befindet sich im inneren Sonnensystem.
Offiziell als Gas- (und/oder Eis-) Riesen bezeichnet, werden diese Welten auch „Jovianische Planeten“ genannt. Der Name wird austauschbar mit Begriffen wie Gasriese und Riesenplanet verwendet und beschreibt Welten, die im Wesentlichen „Jupiter-ähnlich“ sind. Und während das Sonnensystem vier solcher Planeten enthält, haben extrasolare Untersuchungen Hunderte von Jupiterplaneten entdeckt, und das ist nur so weit…
Definition:
Der Begriff Jupiter leitet sich von Jupiter ab, dem größten der Äußere Planeten und der erste, der mit einem Teleskop beobachtet wurde – von Galileo Galilei im Jahr 1610 . Das Adjektiv Jovian hat seinen Namen vom römischen König der Götter – Jupiter oder Jove – und bedeutet alles, was mit Jupiter in Verbindung steht; und im weiteren Sinne ein Jupiter-ähnlicher Planet.
Die Riesenplaneten des Sonnensystems (auch bekannt als die Jovianer). Bildnachweis: spiff.rit.edu
Innerhalb des Sonnensystems existieren vier Jupiterplaneten – Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Ein als Jovian bezeichneter Planet ist daher ein Gasriese, der hauptsächlich aus Wasserstoff- und Heliumgas mit unterschiedlich starken schwereren Elementen besteht. Diese Planeten haben nicht nur große Mondsysteme, sondern auch ihre eigenen Ringsysteme sowie.
Ein weiteres gemeinsames Merkmal von Gasriesen ist das Fehlen einer Oberfläche, zumindest im Vergleich zu terrestrischen Planeten. In allen Fällen definieren Wissenschaftler die „Oberfläche“ eines Gasriesen (um Temperaturen und Luftdruck zu definieren) als den Bereich, in dem der Atmosphärendruck ein Bar überschreitet (der Druck auf der Erde auf Meereshöhe).
Struktur und Zusammensetzung:
In allen Fällen bestehen die Gasriesen unseres Sonnensystems hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium, der Rest wird von schwereren Elementen aufgenommen. Diese Elemente entsprechen einer Struktur, die zwischen einer äußeren Schicht aus molekularem Wasserstoff und Helium, die eine Schicht aus flüssigem (oder metallischem) Wasserstoff oder flüchtigen Elementen umgibt, und einem wahrscheinlich geschmolzenen Kern mit einer felsigen Zusammensetzung unterschieden wird.
Aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur und Zusammensetzung werden die vier Gasriesen oft unterschieden, wobei Jupiter und Saturn als „Gasriesen“ klassifiziert werden, während Uranus und Neptun „Eisriesen“ sind. Dies liegt daran, dass Neptun und Uranus höhere Konzentrationen an Methan und schwereren Elementen – wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel – in ihrem Inneren aufweisen.
Innenmodelle der Riesenplaneten, die felsige Kerne zeigen, die von festen und gasförmigen Hüllen überlagert sind. Bildnachweis: NASA/JPL
Im krassen Gegensatz zu den terrestrischen Planeten ist die Dichte der Gasriesen etwas größer als die von Wasser (1 g/cm³). Die einzige Ausnahme hiervon ist Saturn, wo die mittlere Dichte tatsächlich niedriger ist als die von Wasser (0,687 g/cm²).3). In allen Fällen steigen Temperatur und Druck dramatisch an, je näher man sich dem Kern nähert.
Atmosphärische Bedingungen:
Ähnlich wie ihre Strukturen und Zusammensetzungen sind die Atmosphären und Wettermuster der vier Gas-/Eisriesen ziemlich ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Atmosphären mit zunehmender Entfernung von der Sonne immer kühler werden. Infolgedessen hat jeder Jupiter-Planet unterschiedliche Wolkenschichten, deren Höhen durch ihre Temperaturen bestimmt werden, sodass die Gase in flüssige und feste Zustände kondensieren können.
Kurz gesagt, da Saturn in jeder bestimmten Höhe kälter als Jupiter ist, befinden sich seine Wolkenschichten tiefer in seiner Atmosphäre. Uranus und Neptun können aufgrund ihrer noch niedrigeren Temperaturen kondensiertes Methan in ihren sehr kalten Troposphären halten, während Jupiter und Saturn dies nicht können.
Die Anwesenheit dieses Methans verleiht Uranus und Neptun ihre trübe blaue Farbe, wobei Jupiter aufgrund der Vermischung von Wasserstoff (was ein rotes Aussehen ergibt) orange-weiß erscheint, während das Aufsteigen von Phosphor, Schwefel und Kohlenwasserstoffen ergibt gefleckte Fleckenbereiche und Ammoniakkristalle erzeugen weiße Streifen.
Jupiter und Saturn haben aufgrund ihrer ähnlichen Zusammensetzung und Atmosphäre ein ähnliches Aussehen. Bildnachweis: NASA/GSFC
Die Atmosphäre des Jupiter wird nach zunehmender Höhe in vier Schichten eingeteilt: Troposphäre, Stratosphäre, Thermosphäre und Exosphäre. Temperatur und Druck nehmen mit der Tiefe zu, was dazu führt, dass aufsteigende Konvektionszellen entstehen, die Phosphor, Schwefel und Kohlenwasserstoffe mit sich führen, die mit UV-Strahlung interagieren und der oberen Atmosphäre ihr geflecktes Aussehen verleihen.
Die Atmosphäre des Saturn ähnelt in ihrer Zusammensetzung der des Jupiter. Daher ist es ähnlich gefärbt, obwohl seine Bänder viel schwächer und in der Nähe des Äquators viel breiter sind (was zu einer blassgoldenen Farbe führt). Wie bei den Wolkenschichten des Jupiter sind sie in eine obere und eine untere Schicht unterteilt, deren Zusammensetzung je nach Tiefe und Druck variiert. Beide Planeten haben auch Wolken bestehend aus Ammoniakkristalle in ihren oberen Atmosphären, mit einer möglichen dünnen Schicht von Wasserwolken ihnen zugrunde liegen.
Die Atmosphäre des Uranus lässt sich in drei Abschnitte unterteilen – die innerste Stratosphäre, die Troposphäre und die äußere Thermosphäre. Die Troposphäre ist die dichteste Schicht und zufällig auch die kälteste im Sonnensystem . Innerhalb der Troposphäre gibt es Wolkenschichten, mit Methanwolken darüber, Ammoniumhydrogensulfidwolken, Ammoniak- und Schwefelwasserstoffwolken und Wasserwolken bei den niedrigsten Drücken.
Als nächstes kommt die Stratosphäre, die Ethan-Smog, Acetylen und Methan enthält, und diese Dunst tragen zur Erwärmung dieser Atmosphärenschicht bei. Hier steigen die Temperaturen vor allem durch Sonneneinstrahlung stark an. Die äußerste Schicht (Thermosphäre und Korona) hat eine einheitliche Temperatur von 800 bis 850 (577 ° C / 1.070 ° F), obwohl Wissenschaftler sich über den Grund nicht sicher sind.
Uranus und Neptun, die Eisriesenplaneten des Sonnensystems. Quelle: Wikipedia Commons
Dies teilt Uranus mit Neptun, der auch in seiner Thermosphäre ungewöhnlich hohe Temperaturen erfährt (ca. 750 K (476,85 °C/890 °F). Wie Uranus ist Neptun zu weit von der Sonne entfernt, als dass diese Wärme durch die Absorption ultravioletter Strahlung, was bedeutet, dass ein anderer Heizmechanismus beteiligt ist.
Die Atmosphäre von Neptun besteht ebenfalls hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium mit einer geringen Menge Methan. Das Vorhandensein von Methan ist ein Teil dessen, was Neptun seinen blauen Farbton verleiht, obwohl der von Neptun dunkler und lebendiger ist. Seine Atmosphäre kann in zwei Hauptregionen unterteilt werden: die untere Troposphäre (wo die Temperaturen mit der Höhe abnehmen) und die Stratosphäre (wo die Temperaturen mit der Höhe steigen).
Es wird angenommen, dass die untere Stratosphäre Kohlenwasserstoffe wie Ethan und Ethin enthält, die das Ergebnis der Wechselwirkung von Methan mit UV-Strahlung sind und so den atmosphärischen Dunst von Neptun erzeugen. Die Stratosphäre beherbergt auch Spuren von Kohlenmonoxid und Blausäure, die dafür verantwortlich sind, dass die Stratosphäre von Neptun wärmer ist als die von Uranus.
Wetterlagen:
Wie die Erde erlebt Jupiter Polarlichter in der Nähe seines Nord- und Südpols. Aber auf Jupiter ist die Polarlichtaktivität viel intensiver und hört selten auf. Diese sind das Ergebnis der intensiven Strahlung des Jupiter, seines Magnetfelds und der Fülle an Material von Ios Vulkanen, die mit der Ionosphäre des Jupiter reagieren.
Die neu bearbeitete Ansicht von Bjorn Jonsson des Great Red Spot, aufgenommen von Voyager 1 im Jahr 1979, offenbart einen unglaublichen Detailreichtum. Bildnachweis: NASA/JPL
Jupiter erlebt auch heftige Wettermuster . Windgeschwindigkeiten von 100 m/s (360 km/h) sind bei zonalen Jets üblich und können bis zu 620 km/h (385 mph) erreichen. Stürme bilden sich innerhalb von Stunden und können über Nacht einen Durchmesser von Tausenden von Kilometern erreichen. Ein Sturm, der Großer roter Fleck , wütet seit mindestens den späten 1600er Jahren.
Der Sturm ist im Laufe seiner Geschichte immer kleiner geworden und hat sich ausgebreitet; aber im Jahr 2012 wurde vorgeschlagen, dass der Giant Red Spot könnte irgendwann verschwinden . Jupiter erlebt auch periodisch Blitze von Blitz in seiner Atmosphäre , die bis zu tausendmal so stark sein kann wie die hier auf der Erde beobachteten.
Die Atmosphäre des Saturn ist ähnlich und weist ab und zu langlebige Ovale auf, die mehrere Tausend Kilometer breit sein können. Ein gutes Beispiel ist die Großer weißer Fleck (alias Great White Oval), ein einzigartiges, aber kurzlebiges Phänomen, das alle 30 Erdenjahre auftritt. Seit 2010 gibt es ein großes weißes Wolkenband namens Elektrostatische Störung im Norden wurden beobachtet, wie sie Saturn umhüllen, und es wird angenommen, dass eine weitere im Jahr 2020 folgen wird.
Die Winde auf Saturn sind die zweitschnellsten unter den Planeten des Sonnensystems, die eine gemessene Höhe von 500 m/s (1800 km/h) erreicht haben. Auch der Nord- und der Südpol des Saturn haben Anzeichen von stürmischem Wetter gezeigt. Am Nordpol hat dies die Form a anhaltendes hexagonales Wellenmuster misst etwa 13.800 km (8.600 mi) und dreht sich mit einer Dauer von 10 h 39 m 24 s.
Saturn bildet in diesem naturfarbenen Bild ein wunderschön gestreiftes Ornament, das sein nordpolares Sechseck und seinen zentralen Wirbel zeigt. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Der Südpolwirbel hat offenbar die Form eines Jetstreams, aber keine sechseckige stehende Welle. Diese Stürme erzeugen schätzungsweise Windgeschwindigkeiten von 550 km/h, sind in ihrer Größe mit der Erde vergleichbar und dauern vermutlich seit Milliarden von Jahren an. Im Jahr 2006 wurde die Raumsonde Cassini einen hurrikanähnlichen Sturm beobachtet das hatte ein klar definiertes Auge. Solche Stürme waren auf keinem anderen Planeten als der Erde beobachtet worden – nicht einmal auf dem Jupiter.
Das Wetter von Uranus folgt einem ähnlichen Muster, bei dem Systeme in Bänder aufgeteilt werden, die sich um den Planeten drehen, die von der inneren Wärme angetrieben werden, die in die obere Atmosphäre aufsteigt. Winde auf Uranus können bis zu 900 km/h (560 mph) erreichen und verursachen massive Stürme, wie sie 2012 vom Hubble-Weltraumteleskop entdeckt wurden. Dunkler Punkt “ war ein riesiger Wolkenwirbel, der 1.700 Kilometer mal 3.000 Kilometer maß.
Da Neptun kein Festkörper ist, unterliegt seine Atmosphäre einer unterschiedlichen Rotation, wobei seine breite Äquatorzone langsamer rotiert als das Magnetfeld des Planeten (18 Stunden gegenüber 16,1 Stunden). Im Gegensatz dazu gilt das Gegenteil für die Polarregionen, in denen die Rotationsperiode 12 Stunden beträgt. Diese unterschiedliche Rotation ist die stärkste aller Planeten im Sonnensystem und führt zu starker Windscherung in Breitengraden und heftigen Stürmen.
Rekonstruktion von Voyager 2-Bildern, die den Great Dar Spot (oben links), den Scooter (Mitte) und den Small Dark Spot (unten rechts) zeigen. Bildnachweis: NASA/JPL
Der erste, der entdeckt wurde, war ein massiver antizyklonaler Sturm mit einer Größe von 13.000 x 6.600 km, der dem Großen Roten Fleck des Jupiter ähnelte. Bekannt als Großer dunkler Fleck , wurde dieser Sturm fünf später (2. November 1994) nicht gesichtet, als das Hubble-Weltraumteleskop danach suchte. Stattdessen wurde auf der Nordhalbkugel des Planeten ein neuer Sturm mit sehr ähnlichem Aussehen gefunden, was darauf hindeutet, dass diese Stürme eine kürzere Lebensdauer haben als die des Jupiter.
Exoplaneten:
Aufgrund der Einschränkungen, die unsere aktuellen Methoden auferlegen, sind die meisten Exoplaneten bisher durch Umfragen wie die entdeckt Weltraumobservatorium Kepler waren in ihrer Größe mit den Riesenplaneten des Sonnensystems vergleichbar. Da davon ausgegangen wird, dass diese großen Planeten mehr mit Jupiter als mit den anderen Riesenplaneten gemeinsam haben, wurde der Begriff „Jovian Planet“ von vielen verwendet, um sie zu beschreiben.
Viele dieser Planeten haben eine größere Masse als Jupiter und werden von Astronomen auch als „Super-Jupiter“ bezeichnet. Solche Planeten existieren an der Grenze zwischen Planeten und braune zwergsterne , die kleinsten bekannten Sterne unseres Universums. Sie können bis zu 80-mal massereicher sein als Jupiter, sind aber dennoch vergleichbar groß, da ihre stärkere Schwerkraft das Material zu einer immer dichteren, kompakteren Kugel komprimiert.
Künstlerisches Konzept des Exoplaneten „Hot Jupiter“ HD 149026b. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Diejenigen Super-Jupiter, die von ihren Muttersternen entfernte Umlaufbahnen haben, werden als „kalte Jupiter“ bezeichnet, während diejenigen, die eine enge Umlaufbahn haben, als „heiße Jupiter“ bezeichnet werden. Überraschend viele heiße Jupiter wurden bei Exoplaneten-Durchmusterungen beobachtet, da sie mit der Radialgeschwindigkeitsmethode – die die Schwingung von Muttersternen aufgrund des Einflusses ihrer Planeten misst – besonders leicht zu erkennen sind.
In der Vergangenheit glaubten Astronomen, dass sich jupiterähnliche Planeten nur in den äußeren Bereichen eines Sternensystems bilden könnten. Die jüngste Entdeckung vieler jupitergroßer Planeten, die in der Nähe ihrer Sterne kreisen, hat dies jedoch in Zweifel gezogen. Dank der Entdeckung der Jupiter außerhalb unseres Sonnensystems könnten Astronomen gezwungen sein, unsere Modelle der Planetenentstehung zu überdenken.
Seit Galileo Jupiter zum ersten Mal durch sein Teleskop beobachtet hat, faszinieren uns die Jupiterplaneten endlos. Und trotz vieler Jahrhunderte der Forschung und des Fortschritts gibt es immer noch viele Dinge, die wir über sie nicht wissen. Unsere neueste Bemühung, Jupiter zu erkunden, die Juno-Mission , wird voraussichtlich einige recht interessante Funde hervorbringen. Wir hoffen, dass sie uns dem Verständnis dieser verdammten Jovianer einen Schritt näher bringen!
Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über Gasriesen geschrieben. Hier ist die Leitfaden zum Sonnensystem , Die äußeren Planeten , Was steckt in einem Gasriesen? , und Welche Planeten haben Ringe?
Weitere Informationen finden Sie in der NASA Erkundung des Sonnensystems Seite und Science Daily’s die Jupiterplaneten .
Astronomy Cast hat eine Reihe von Episoden auf den Jupiter-Planeten, darunter Folge 56: Jupiter .