NASA-Satellitenbilder von Wirbelstürmen auf dem Jupiter zeigen, dass Stürme durch Prozesse angetrieben werden, die denen auf der Erde ähneln

Neue Forschungen unter der Leitung von Lia Siegelman, einer physikalischen Ozeanographin am Scripps Institution of Oceanography an der UC San Diego, zeigen, dass tobende Stürme in den Polarregionen des Planeten Jupiter durch Prozesse angetrieben werden, die Physikern bekannt sind, die die Ozeane und die Erdatmosphäre untersuchen. Die geophysikalischen Gemeinsamkeiten auf den 452 Millionen Kilometern zwischen den beiden Planeten könnten sogar dazu beitragen, diese Prozesse auf der Erde besser zu verstehen.

Siegelman stellte erstmals 2018 die Verbindung zwischen unserem Planeten und dem Gasriesen her, als sie eine bemerkenswerte Ähnlichkeit zwischen Bildern von Jupiters massiven Wirbelstürmen und den von ihr untersuchten Ozeanturbulenzen bemerkte. Für einen Physiker gelten sowohl Luft als auch Wasser als Flüssigkeiten. Die Anwendung der Meeresphysik auf Jupiter sei also nicht so weit hergeholt, wie es scheint, sagte Siegelman. „Jupiter ist im Wesentlichen ein Ozean aus Gas.“

Diese frühe Beobachtung veranlasste Siegelman, Mitautor einer 2022 veröffentlichten Studie zu sein Natürliche Physik Dabei wurden hochauflösende Infrarotbilder der Jupiter-Zyklone analysiert, die von der NASA-Raumsonde Juno aufgenommen wurden. Die Analyse ergab, dass eine Art Konvektion, die der auf der Erde ähnelt, dazu beiträgt, Jupiters Stürme aufrechtzuerhalten, die Tausende von Kilometern breit sein und jahrelang andauern können.

Die Studie von 2022 konzentrierte sich direkt auf Jupiters Wirbelstürme, Siegelman beobachtete jedoch auch dünne Ranken, die Forscher als Filamente bezeichnen, in den Räumen zwischen den Gaswirbeln. Diese Filamente hatten auch terrestrische Analogien, und Siegelman nutzte Junos detaillierte Bilder, um zu untersuchen, ob diese Ähnlichkeit mit den ozeanischen und atmosphärischen Prozessen unseres Planeten nur oberflächlicher Natur war.

Veröffentlicht am 6. Juni in Natürliche Physik , Siegelmans Folgestudie enthüllt zusätzliche Ähnlichkeiten zwischen den Prozessen, die Jupiters Wirbelstürme antreiben, und denen, die auf der Erde wirken. Die Studie zeigt, dass die Filamente zwischen Jupiters Wirbelstürmen zusammen mit der Konvektion die riesigen Stürme des Planeten fördern und aufrechterhalten. Insbesondere wirken Jupiters Filamente auf eine Weise, die dem ähnelt, was Ozeanographen und Meteorologen als Fronten auf der Erde bezeichnen.

In Wettervorhersagen wird oft von Fronten gesprochen, zum Beispiel von Kaltfronten oder Sturmfronten, sie gelten jedoch sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten. Eine Front ist die Grenze zwischen gasförmigen oder flüssigen Massen unterschiedlicher Dichte aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften wie der Temperatur. Im Ozean können Fronten auch durch Unterschiede im Salzgehalt entstehen, die sowohl die Meerwasserdichte als auch die Temperatur beeinflussen. Ein wesentliches Merkmal von Fronten ist, dass ihre Vorderkanten hohe Vertikalgeschwindigkeiten aufweisen, die Winde oder Strömungen erzeugen können.

Um zu versuchen, die Rolle der Filamente zu verstehen, die sie auf Bildern von Juno deutlich zwischen Jupiters Wirbelstürmen erkennen konnte, untersuchte Siegelman eine Reihe von Infrarotbildern von Juno. Der Bilderstapel zeigte die Nordpolarregion des Jupiter und wurde in 30-Sekunden-Schritten aufgenommen.

Die Tatsache, dass die Bilder im Infrarotbereich waren, ermöglichte Siegelman und seinem Co-Autor Patrice Klein vom Jet Propulsion Laboratory der NASA, dem California Institute of Technology und der Ecole Normale Supérieure, die Temperatur zu berechnen: Die hellen Bereiche waren wärmer und die dunklen Bereiche kälter. Auf Jupiter entsprechen die wärmeren Teile der Atmosphäre dünnen Wolken und die kühleren Teile stellen eine dicke Wolkendecke dar, die einen größeren Teil der vom überhitzten Kern des Jupiter ausgehenden Wärme blockiert. Anschließend verfolgten die Forscher die Bewegung der Wolken und Filamente über die 30-Sekunden-Intervalle zwischen den Fotos, um die horizontalen Windgeschwindigkeiten zu berechnen.

Diese beiden Informationen ermöglichten es Siegelman und Klein, Methoden der Ozean- und Atmosphärenwissenschaften auf Jupiter anzuwenden und so vertikale Windgeschwindigkeiten zu berechnen, die den Temperaturen und horizontalen Windgeschwindigkeiten entsprechen würden, die die Forscher aus den Bildern abgeleitet hatten. Nachdem das Team die vertikale Windgeschwindigkeit berechnet hatte, konnte es erkennen, dass sich die Filamente des Jupiter tatsächlich wie Fronten auf der Erde verhielten.

Diese vertikalen Windgeschwindigkeiten an den Rändern der Jupiterfronten führten auch dazu, dass die Fronten am Transport von Energie in Form von Wärme aus dem heißen Planeteninneren in die obere Atmosphäre beteiligt waren und so die riesigen Wirbelstürme antreiben. Obwohl die Konvektion der Haupttreiber ist, machen Fronten ein Viertel der gesamten kinetischen Energie aus, die Jupiters Wirbelstürme antreibt, und vierzig Prozent des vertikalen Wärmetransports.

„Diese Wirbelstürme an den Polen des Jupiter bestehen seit ihrer ersten Beobachtung im Jahr 2016 fort“, sagte Siegelman. „Diese Filamente zwischen großen Wirbeln sind relativ klein, aber sie sind ein wichtiger Mechanismus zur Aufrechterhaltung von Wirbelstürmen. Es ist faszinierend, dass Fronten und Konvektion auf der Erde und dem Jupiter vorhanden sind und einen Einfluss haben. Dies legt nahe, dass diese Prozesse auch bei anderen turbulenten Flüssigkeiten in der Erde vorhanden sein könnten.“ Universum.

Siegelman sagte auch, dass die gewaltige Größe des Jupiter und die hochauflösenden Bilder von Juno eine klarere Visualisierung ermöglichen können, wie kleinere Phänomene wie Fronten mit größeren Phänomenen wie Zyklonen und der Atmosphäre als Ganzes verbunden sind, Verbindungen, die oft schwer zu erkennen sind beobachten. Auf der Erde sind sie viel kleiner und vergänglich. Sie fügte jedoch hinzu, dass ein mit Spannung erwarteter neuer Satellit, den Forscher als SWOT kennen, bereit sei, die Beobachtung dieser Art von Meeresphänomenen viel einfacher zu machen.

„Es liegt eine gewisse kosmische Schönheit in der Entdeckung, dass diese physikalischen Mechanismen auf der Erde auf anderen, entfernten Planeten existieren“, sagte Siegelman.