Warum sich Jupiters Stürme so seltsam verhalten

Am Südpol des Jupiter ist ein eindrucksvoller Anblick zu finden – selbst für einen mit farbigen Bändern bedeckten Gasriesen, der einen roten Fleck trägt, der größer ist als die Erde. In der Nähe seines Südpols hat sich eine Ansammlung wirbelnder Stürme gebildet, die in einem geometrischen Muster angeordnet sind. Seit sie erstmals 2019 von der NASA-Raumsonde Juno gesichtet wurden, haben die Stürme den Wissenschaftlern Rätsel aufgegeben. Grundsätzlich ähneln sie Hurricans auf der Erde. Allerdings sammeln sich Stürme auf unserem Planeten nicht an den Polen und wirbeln dort als Fünf- oder Sechseck umeinander.

Jetzt hat ein Forschungsteam im Labor von Andy Ingersoll, Caltech-Professor für Planetenforschung, herausgefunden, warum sich Jupiters Stürme so seltsam verhalten. Dazu benutzten sie Formeln, die sie aus einem Beweis ableiteten, den schon Lord Kelvin, ein britischer mathematischer Physiker und Ingenieur, vor fast 150 Jahren verfasst hat. Ingersoll, die Mitglied des Juno-Teams war, sagt, dass die Stürme des Jupiter denjenigen, die jeden Sommer und Herbst die Ostküste der Vereinigten Staaten heimsuchen, bemerkenswert ähnlich sind, nur haben sie viel größere Abmessungen.

“Wenn man unter die Wolkenspitzen geht, findet man wahrscheinlich sogar flüssige Wassertropfen, Hagel und Schnee”, sagt er. “Hurricans auf der Erde sind eine gute Analogie zu den einzelnen Wirbeln innerhalb dieser Anordnungen, die wir auf dem Jupiter sehen, aber hier gibt es nichts so überwältigend Schönes”.

Wie auf der Erde bilden die Stürme des Jupiters sich näher am Äquator und driften  dann in Richtung der Pole. Erdstürme lösen sich jedoch auf, bevor sie sich zu weit vom Äquator entfernen. Die Jupiterstürme ziehen einfach weiter, bis sie die Pole erreichen.

“Der Unterschied ist, dass Hurricans auf der Erde nach Verlassen des Äquators kein warmes Wasser mehr haben, weil sie auf Kontinente treffen”, sagt Ingersoll. Jupiter hat kein Land, “also gibt es viel weniger Reibung, weil es nichts gibt, woran man sich reiben kann. Es gibt nur noch mehr Gas unter den Wolken. Außerdem hat Jupiter aus der Zeit seiner Entstehung Wärme übrig, die mit der Wärme vergleichbar ist, die er von der Sonne erhält, sodass der Temperaturunterschied zwischen seinem Äquator und seinen Polen nicht so groß ist wie auf der Erde”.

Diese Erklärung, so Ingersoll, erkläre jedoch noch immer nicht das Verhalten der Stürme, sobald sie den Südpol des Jupiter erreichen, was selbst im Vergleich zu anderen Gasriesen ungewöhnlich ist. Der Saturn, ebenfalls ein Gasriese, besitzt an jedem seiner Pole einen gewaltigen Sturm und nicht eine geometrisch angeordnete Ansammlung von Stürmen.

Die Antwort auf das Rätsel, warum Jupiter diese geometrischen Formationen hat und andere Planeten nicht, wie Ingersoll und seine Kollegen entdeckten, fanden die Forscher in der Vergangenheit, insbesondere in den Arbeiten, die 1878 von Alfred Mayer, einem amerikanischen Physiker und Lord Kelvin, durchgeführt wurden. Mayer hatte schwimmende kreisförmige Magnete in einem Wasserbecken platziert und beobachtet, dass sie sich spontan zu geometrischen Konfigurationen anordnen würden, ähnlich denen, die man auf dem Jupiter sieht, mit Formen, die von der Anzahl der Magnete abhängen. Kelvin nutzte Mayers Beobachtungen, um ein mathematisches Modell zur Erklärung des Verhaltens der Magnete zu entwickeln.

“Damals dachte man darüber nach, wie sich drehende Flüssigkeitsteile zu Polygonen anordnen würden”, sagt Ingersoll. “Obwohl es viele Laboruntersuchungen dieser Flüssigkeitspolygone gab, hat niemand daran gedacht, das auf eine Planetenoberfläche anzuwenden. Zu diesem Zweck verwendete das Forschungsteam eine Reihe von Gleichungen, die als Flachwassergleichungen bekannt sind, um ein Computermodell dessen zu erstellen, was auf dem Jupiter geschehen könnte, und begann mit der Durchführung von Simulationen.

“Wir wollten die Kombination von Parametern untersuchen, die diese Wirbelstürme stabil macht”, sagt Cheng Li, Hauptautor und Stipendiat an der UC Berkeley. “Es gibt etablierte Theorien, die voraussagen, dass Zyklone dazu neigen, aufgrund der Rotation des Planeten am Pol zu verschmelzen, und diese fanden wir auch in den ersten Versuchsläufen.” Schließlich fand das Team jedoch heraus, dass sich eine Jupiter-ähnliche stabile geometrische Anordnung von Stürmen bilden würde, wenn die Stürme jeweils von einem Ring von Winden umgeben wären, die in entgegengesetzter Richtung zu den sich drehenden Stürmen rotieren, einem so genannten antizyklonischen Ring. Das Vorhandensein von antizyklonischen Ringen bewirkt, dass die Stürme sich gegenseitig abstoßen und nicht verschmelzen.

Laut Ingersoll könnte die Forschung den Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie sich das Wetter auf der Erde verhält. “Andere Planeten bieten ein viel breiteres Spektrum an Verhaltensweisen als das, was Sie auf der Erde sehen”, sagt er, “also studieren Sie das Wetter auf anderen Planeten, um Ihre Theorien über die Erde zu testen”.

Unter einigen simulierten Bedingungen und auf dem Saturn verschmelzen zyklonische Stürme miteinander, statt sich gegenseitig abzustoßen (Bild: Caltech)
Unter anderen experimentellen Bedingungen und auf dem Jupiter stoßen sich die zyklonischen Stürme gegenseitig ab, statt zu verschmelzen. (Bild: Caltech)
Am Südpol des Jupiter sammeln sich Stürme, hier von der Juno-Sonde aufgenommen. (Bild: NASA / JPL-Caltech)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.