Neue Erkenntnisse zu Stürmen auf dem Jupiter
Auf dem Jupiter geht es windig zu: Die starken Winde, die über die Oberfläche des größten Planeten unseres Sonnensystems fegen, erreichen häufig eine Geschwindigkeit von 360 km/h. Zwar wurden die zonalen Strahlströme des Gasriesen bereits seit Jahrhunderten beobachtet, jedoch war bislang nicht zu erklären, warum diese Winde so kräftig sind. Das EU-finanzierte Projekt JUMP (JUpiter Modeling Platform) gelang es nun endlich, erste Fortschritte zur Klärung dieser Frage zu erzielen. Das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt konnte nachweisen, dass die Stärke der Strahlströme auf dem Jupiter von der Rotationsenergie des Planeten bestimmt wird.
Versteckte Dynamik
„Bislang wurde allgemein davon ausgegangen, dass die energetische Stärke der zonalen Strahlströme direkt mit der Umwandlung von Sonnenenergie in Quellen einer Fließbewegung zusammenhängt“, so Stefania Espa, außerordentliche Professorin für Hydraulik an der Fakultät für Tiefbau, Bauwesen und Umwelttechnik der Universität La Sapienza in Rom und Projektkoordinatorin von JUMP. Allerdings weist sie daraufhin, dass diese Annahme nicht erklären kann, warum die zonalen Strahlströme des Jupiters viermal stärker als jene der Erde sind, obwohl auf dem Jupiter 30-mal weniger Sonnenenergie ankommt. Um die Dynamik zu verstehen, die der Bildung zonaler Strahlströme zugrunde liegt, erschuf das Forschungsteam das erste Labormodell eines Gasriesen. Sie bildeten die Strömungen des Jupiters im Labor nach und simulierten die Mechanismen, die zur Entstehung des Strahlstroms führen, um den Energietransfer zu untersuchen, der dabei stattfindet.
Eine Kombination aus Fachwissen und Daten
Das Team richtete eine Plattform ein, die Labormodellierung mit numerischen Modellierungen verbindet, um die Luftströmungen auf dem Jupiter und auch Saturn, einem weiteren Gasriesen, zu simulieren. So konnte es große Datensätze zusammentragen, die anderen Forschenden frei zugänglich gemacht wurden. Die im Labor und durch numerische Simulationen erfassten Daten wurden dann mit planetaren Beobachtungsdaten kombiniert, die aus Weltraummissionen stammen. Die Forschenden entwickelten auch ein neues Diagnoseinstrument auf der Grundlage der potentiellen Vortizität zur Quantifizierung planetarer Turbulenzen. So konnten sie zum ersten Mal nachweisen, dass der Energietransfer in der Atmosphäre des Saturns viermal weniger intensiv ist als in der des Jupiters. Espa und ihr Team brachten Expertise von Fachleuten aus der Fluiddynamik, Planetologie und Klimatologie zusammen, um ein neues Rahmenwerk dafür zu entwickeln, Strahlströme mit der Rotationsenergie eines Planeten in Verbindung zu bringen. „Wir belegten, dass zonale Strahlströme sich durch die gekoppelte Wirkung turbulenter Kaskaden und der sphärischen Krümmung von Planeten – der sogenannte Beta-Effekt – entwickeln“, merkt Espa an. „Wir zeigten außerdem auf, dass das energetische Ausmaß der Strahlströme ausschließlich von der Rotationsgeschwindigkeit und dem Radius des Planeten abhängt.“ Diese Ergebnisse können erklären, warum die zonalen Strahlströme auf dem Jupiter stärker sind als auf der Erde, da der Jupiter sich 2,4-mal schneller um die eigene Achse dreht.
Ein Beitrag zur Klimaforschung
Die Arbeit des JUMP-Teams konnte nicht nur unser Verständnis der internen Dynamik des Jupiters verbessern, sondern auch wichtige Indizien für die Klimaforschung liefern. „Zonale Strahlströme spielen erwiesenermaßen eine wichtige Rolle bei der Organisation des Klimasystems, indem sie Wärme, Luftfeuchtigkeit, Gase und Nährstoffe über den ganzen Planeten verteilen“, erklärt Espa. „Ein tiefgreifendes Verständnis der Physik, die die Entstehung dieser Strahlströme bestimmt, ist eine unabdingbare Voraussetzung dafür, vergangene und zukünftige Klimaveränderungen analysieren zu können.“
Schlüsselbegriffe
JUMP, Jupiter, Gasriese, zonaler Strahlstrom, Labormodell, numerische Modellierung, Planet, potentielle Vortizität, Turbulenz, Klimawandel