Die treibende Kraft hinter Jupiters anhaltendem „Fieber“ wurde gefunden: Es stellt sich heraus, dass es dies ist!

Nach unserem allgemeinen Verständnis ist die Temperatur eines Planeten umso höher, je näher er der Sonne ist, und umso niedriger, je weiter er von der Sonne entfernt ist. Für Jupiter ergibt dies jedoch keinen Sinn. Obwohl Jupiter sehr weit von der Sonne entfernt ist und hinter der Erde und dem Mars rangiert, kann die Temperatur in der oberen Atmosphäre des Jupiters tatsächlich 400 Grad Celsius erreichen, was man als dauerhaft „fieberhaft“ bezeichnen kann.

Schematische Darstellung des Sonnensystems. Wissen Sie, welches der Jupiter ist? (Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Diese Anomalie hat Wissenschaftler 50 Jahre lang vor Rätsel gestellt, doch eine aktuelle Studie hat endlich die „treibende Kraft hinter den Kulissen“ gefunden und eine Antwort auf die verwirrende „Jupiter-Energiekrise“ geliefert.

Jupiter-Profil

Lernen wir zunächst Jupiter kennen, der für seine enorme Größe berühmt ist.

Jupiter ist ein riesiger Gasplanet mit der 2,5-fachen Masse aller anderen Planeten und besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Jupiter hat viele Satelliten, von denen Io bis Callisto mit einem Teleskop in einem klaren Nachthimmel sichtbar sind. Das Bild unten zeigt Jupiter und seine drei Satelliten, aufgenommen vom Autor mit einem Teleskop in Devingelo, Niederlande.

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Jupiter hat das stärkste planetarische Magnetfeld im Sonnensystem, mit einem magnetischen Moment, das etwa 18.000-mal so groß ist wie das Magnetfeld der Erde. Im Vergleich zur Erde ist Jupiter sehr weit von der Sonne entfernt. Die große Halbachse der Jupiterbahn beträgt 5,204 AE, was etwa der fünffachen Entfernung zwischen Erde und Sonne entspricht.

Die „Jupiter-Energiekrise“ beschäftigt die Menschen seit fünfzig Jahren

Intuitiv sollte der Jupiter, der weiter von der Sonne entfernt ist, kälter sein als die Erde. Basierend auf der Menge der empfangenen Sonneneinstrahlung sollte die Durchschnittstemperatur der oberen Atmosphäre des Jupiters etwa minus 73 Grad Celsius betragen. Der tatsächlich gemessene Wert liegt jedoch über 400 Grad Celsius. Diese unerklärliche, ungewöhnlich hohe Temperatur wird als „Energiekrise“ des Jupiters bezeichnet. Die Energiekrise, mit der die Erde derzeit konfrontiert ist, besteht darin, dass die verfügbare Energiemenge nahezu erschöpft ist. Anders als bei der Energiekrise auf der Erde besteht die Energiekrise auf dem Jupiter jedoch darin, dass „Energie (Wärmeenergie) vorhanden ist, die Quelle jedoch nicht gefunden werden kann.“

Die ungewöhnlich hohe Temperatur des Jupiters bereitet der Menschheit seit fünfzig Jahren Probleme. In dieser Zeit haben besorgte Wissenschaftler zahlreiche Hypothesen über den Erwärmungsmechanismus dieses überhitzten Gasplaneten aufgestellt. Einige Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Ursache Jupiters Supersturm, der Große Rote Fleck, ist, da Messungen zufolge der Große Rote Fleck tatsächlich heißer ist als die Umgebung.

Wissenschaftler spekulieren, dass Superstürme eine große Zahl von Störungen in der unteren Atmosphäre erzeugen, die sich in Form von Schwerewellen und Schallwellen nach oben ausbreiten und sich in der oberen Atmosphäre als Wärmeenergie auflösen und so die obere Atmosphäre erwärmen. Keine dieser Spekulationen kann jedoch eine vollständige mechanistische Beschreibung der globalen Erwärmung des Jupiters liefern.

Bild des sich erwärmenden Großen Roten Flecks (Bildnachweis: NASA)

Die spektrale Strahlungsintensität deutet darauf hin, dass der Große Rote Fleck ein Hochtemperaturgebiet ist (Bildquelle: Nature 536,190–192 (2016))

Jupiters Atmosphäre wird durch die Aurora gebacken

Vor kurzem leitete J. O'Donoghue von der Universität Leicester ein Team, das eine gemeinsame Beobachtung des Jupiters mit mehreren Instrumenten durchführte. Das Hauptergebnis dieser Beobachtung war die Messung der Temperatur der Jupiteratmosphäre mit hoher räumlicher Auflösung. Das Team verwendete drei Instrumente: das Keck-Observatorium auf Hawaii – mit einem Nahinfrarot-Teleskop zur Beobachtung des Emissionsspektrums von Triwasserstoffkationen zur Temperaturmessung; Zur Beobachtung des Magnetfelds und des Jupitermondes „Io“ wurden die Raumsonde Juno der NASA und der Satellit Hisaki der japanischen JAXA eingesetzt.

Die folgende Abbildung zeigt das Beobachtungsergebnis der Temperaturverteilung. In den Polarlichtregionen im Norden und Süden des Jupiters ist eine hohe Temperaturverteilung zu beobachten, während von den Polen zum Äquator hin allmählich eine relativ niedrige Temperatur herrscht. Dies zeigt, dass die Polarregionen des Jupiters die Hauptwärmequelle in seiner oberen Atmosphäre sind und dass die Wärme in den Polarregionen über den Globus in die Äquatorregion übertragen werden kann, wodurch die gesamte obere Atmosphäre des Jupiters erwärmt wird.

Temperaturverteilung des Jupiters (Bildquelle: Nature 596, 54–57 (2021))

Dies bedeutet, dass das Forschungsteam bestätigt hat, dass die ungewöhnlich hohe Temperatur der oberen Atmosphäre des Jupiters durch die Polarlichtregionen am Nord- und Südpol erwärmt wird (Hervorhebung hinzugefügt). Damit ist das Rätsel um die ungewöhnlich hohe Temperatur der oberen Atmosphäre des Jupiters gelöst, das uns 50 Jahre lang Rätsel aufgegeben hat. Dieses Ergebnis wurde jetzt im Wissenschaftsjournal Nature veröffentlicht.

„Vulkanmond“ hinter Jupiters Aurora

Warum sind die Polarlichter des Jupiters so stark? Wir müssen Io fragen.

Jupiter selbst hat eine besondere Struktur. Als riesiger Gasplanet verfügt er über das stärkste planetare Magnetfeld im Sonnensystem und es gibt einen sehr aktiven Satelliten im Magnetfeld – Io. Die Umlaufbahn von Io ist eine exzentrische Umlaufbahn. Die Gezeitenkraft in verschiedenen Umlaufphasen dehnt ihn unterschiedlich, was zu Reibung in der inneren Struktur führt, aktive geologische Aktivitäten auslöst und zur Bildung von Hunderten von Vulkanen auf Io führt.

Die Vulkanausbrüche auf Io werden eine neutrale Gas-Exosphäre um den Planeten bilden. Die Gasatome interagieren mit den Elektronen und Protonen in der Magnetosphäre des Jupiters, um zu ionisieren und geladene Teilchen zu bilden. Diese geladenen Teilchen werden im Magnetfeld des Jupiters beschleunigt und werden zu hochenergetischen geladenen Teilchen. Einige hochenergetische geladene Teilchen sind im Magnetfeld des Jupiters gefangen und tragen so dazu bei, dass Jupiter einen Strahlungsgürtel bildet, der zig Millionen Mal stärker ist als der der Erde. Das folgende Diagramm zeigt den Prozess, durch den Io im Magnetfeld des Jupiters energiereiche geladene Teilchen erzeugt.

Io, der Plasmaring und das Magnetfeld des Jupiters (Bildquelle: Wikipedia: Io (Mond))

Diese geladenen Teilchen wandern entlang des starken Magnetfelds zu den Polarregionen des Jupiters, dringen in die Atmosphäre des Jupiters ein und erzeugen nach der Ablagerung das stärkste Polarlicht im Sonnensystem und setzen dabei eine große Menge Energie frei. Diese Energien sind die „Energiequelle“ der ungewöhnlich hohen Temperatur auf der Oberfläche des Jupiters.

Jupiters Aurora (Bildnachweis: NASA)

Warum sind die Pole der Erde so kalt, obwohl wir dort das gleiche Polarlicht haben?

Angesichts dessen stellen Sie sich vielleicht die Frage: Es handelt sich auch hier um planetarische Polarlichter. Warum verfügen die Polarlichter der Erde nicht über eine so starke Energie?

Der wesentliche Unterschied liegt in der unterschiedlichen Zufuhr hochenergetischer geladener Teilchen. Die Vulkane von Io und das extrem starke Magnetfeld des Jupiters versorgen seine Magnetosphäre mit einer stabilen und großen Menge an hochenergetischen geladenen Teilchen, während das Polarlicht der Erde durch die Einspritzung hochenergetischer geladener Teilchen im Sonnenwind entsteht (Anmerkung des Herausgebers: bezieht sich auf den Überschall-Plasmastrom geladener Teilchen, der aus der oberen Atmosphäre der Sonne ausgestoßen wird). Gleichzeitig ist das Magnetfeld der Erde relativ schwach und ihre Fähigkeit, hochenergetische geladene Teilchen zu den Polen zu transportieren, ist nicht stark ausgeprägt, und es werden nicht viele Teilchen zu den Polen transportiert.

Daher ist die Intensität der Aurora der Erde viel geringer als die der Aurora des Jupiters. Es kann die Atmosphäre nicht wesentlich erwärmen und hat keinen nennenswerten Einfluss auf das Klima der Erde. An den Polen ist es auf der Erde immer noch kalt und am Äquator heiß.

Wenn das Magnetfeld der Erde zehnmal stärker wird, kann das intrinsische Magnetfeld (Anmerkung der Redaktion: das Magnetfeld, das im Inneren eines Planeten spontan entsteht, erhalten bleibt und sich verändert) die Mondumlaufbahn vollständig abdecken. Gleichzeitig kommt es auf dem Mond zu Vulkanausbrüchen, die eine große Menge geladener Teilchen in den Strahlungsgürtel der Erde schleudern. Dann werden an den Polen der Erde extrem helle Polarlichter erscheinen und der Erwärmungseffekt wird dafür sorgen, dass es an den Polen heißer ist als am Äquator.

Das Polarlicht der Erde wurde von der Internationalen Raumstation (ISS) aus fotografiert (Bildnachweis: NASA)

Modell + Beobachtung, die unbekannte Seite der Planeten verstehen

Über andere Planeten als die Erde wissen wir sehr wenig, hauptsächlich weil sie zu weit entfernt sind. Wir können nur versuchen, die physikalischen Prozesse auf fernen Planeten mit der Methode „Beobachtung + Modellierung“ zu beschreiben.

Der in diesem Artikel beschriebene Forschungsprozess ist ein gutes Beispiel. Tatsächlich hatten Forscher bei früheren Beobachtungen festgestellt, dass es sich in der Polarlichtregion des Jupiters um ein Gebiet mit hohen Temperaturen handelt. Das damalige Modell ging jedoch davon aus, dass die Breitenzirkulation in der Atmosphäre des Jupiters die Hitze in der Polarregion isolierte und ihre Ausbreitung in die Äquatorregion verhinderte. Im Gegensatz dazu liegt der Große Rote Fleck näher am Äquator. Die in diesem Artikel beschriebenen gemeinsamen Beobachtungen mit einer beispiellosen Auflösung von 2 Grad pro Pixel ergaben, dass die Wärme nicht an den Polen gefangen ist, sondern allmählich von den hohen Temperaturen an den Polen zu den niedrigen Temperaturen am Äquator übergeht. Dieses Beobachtungsergebnis deckte ein Phänomen auf, das mit früheren Modellen nicht beschrieben werden konnte, und schlug tatsächlich eine Richtung zur Verbesserung des Modells vor.

Einerseits können Instrumente mit der Weiterentwicklung der Technologie eine immer höhere Auflösung erreichen und Sonden können weiter fliegen und sogar auf einigen Planeten landen, um vor Ort Entdeckungen zu machen. Einerseits wird das Modell durch das Sammeln und Assimilieren von Beobachtungsdaten perfektioniert, sodass es Ecken vorhersagen und beschreiben kann, die nicht durch Instrumente beobachtet werden können. Man kann sagen, dass Modelle und Beobachtungen unsere beiden Augen für die Erforschung des Weltraums und das Verständnis weiterer Planeten sind. Modelle leiten Beobachtungen und Beobachtungen verbessern Modelle.

Auf die „Jupiter-Energiekrise“ gibt es eine Antwort, und in Zukunft werden noch mehr Sterne darauf warten, von uns ihre unbekannte Seite erforscht zu bekommen. Welche kosmischen Mysterien beschäftigen Sie schon lange? Teilen Sie Ihrer Neugier gerne im Kommentarbereich mit!

Quellen:

[1] O'Donoghue J, Moore L, Bhakyapaibul T, et al. Globale Erwärmung der oberen Atmosphäre auf Jupiter durch die polaren Polarlichter[J]. Nature, 2021, 596(7870): 54-57.

[2] O'Donoghue J, Moore L, Stallard TS, et al. Erwärmung der oberen Atmosphäre des Jupiters über dem Großen Roten Fleck[J]. Nature, 2016, 536(7615): 190-192.

[3] Lam HA, Achilleos N, Miller S, et al. Eine grundlegende spektroskopische Untersuchung der Infrarot-Polarlichter des Jupiter[J]. Icarus, 1997, 127(2): 379-393.

[4] Jupiters Großer Roter Fleck ist wahrscheinlich eine massive Wärmequelle: NASA

[5] Jupiters Magnetosphäre https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetosphere_of_Jupiter

Autor: Zhang Peijin

Einheit: Universität für Wissenschaft und Technologie von China

Der Artikel wurde zuerst im Science Park veröffentlicht und stellt lediglich die Ansichten des Autors dar und repräsentiert nicht die Position von Science Park.

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