De gasreus Jupiter bevindt zich maar liefst 452 miljoen kilometer van de aarde en is ruim elf keer zo groot, maar is in minstens één opzicht vergelijkbaar. Sommige van de geofysische krachten achter de beruchte stormen van de gigantische planeet gedragen zich op dezelfde manier als die op aarde. Nieuw onderzoek toont aan dat hevige stormen in de poolgebieden van de planeet worden veroorzaakt door processen die bekend zijn bij natuurkundigen die de atmosfeer en de oceaan van de aarde bestuderen. De bevindingen worden beschreven in een onderzoek dat op 6 juni in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurfysica en biedt een nieuwe manier om soortgelijke meteorologische processen op aarde te begrijpen.
Stormen van Jupiter
Lia Siegelman, een fysisch oceanograaf aan de Scripps Institution of Oceanography van de Universiteit van San Diego, zag dit verband voor het eerst in 2018. Ze merkte enkele overeenkomsten op tussen oceaanturbulentie op aarde en beelden van enkele gigantische cyclonen van Jupiter.
[Related: Why a 3,000-mile-long jet stream on Jupiter surprised NASA scientists.]
Volgens Siegelman worden zowel lucht als water in de natuurkunde als vloeistoffen beschouwd, dus het toepassen van de fysieke dynamiek van de oceaan op een gasreus als Jupiter is niet zo buitenaards als het lijkt.
“Jupiter is in feite een oceaan van gas”, zei Siegelman in een verklaring.
In 2022 publiceerden Siegleman en haar team een onderzoek op basis van deze eerste observatie. Ze analyseerden infraroodbeelden met hoge resolutie van de cyclonen van Jupiter, gemaakt door NASA’s Juno-ruimtevaartuig, en ontdekten dat een soort convectie vergelijkbaar met die op aarde de stormen van Jupiter in stand houdt. Deze draaikolken kunnen duizenden kilometers breed zijn en jarenlang aanhouden. De Grote Rode Vlek, die herkenbaar is op de planeet, woedt al meer dan 300 jaar. Deze eerste studie concentreerde zich op de cyclonen van Jupiter, en het team was ook geïntrigeerd door de dunne ranken, of draden, tussen de gasvormige wervelingen van de cycloon.
Fronten en filamenten
In de nieuwe studie concentreerde het team zich op deze filamenten. Ze ontdekten dat deze dunne ranken tussen de cyclonen van Jupiter samenwerken met convectie om de gigantische stormen van Jupiter te bevorderen en in stand te houden. In het bijzonder doen de filamenten enigszins denken aan wat oceanografen en meteorologen fronten noemen: grenzen tussen gasvormige of vloeibare massa’s met verschillende dichtheid als gevolg van verschillen in verschillende eigenschappen, zoals temperatuur. Op aarde zijn dit ‘warmtefronten’ of ‘koudefronten’ die vrijwel dagelijks in weersvoorspellingen worden genoemd. Een van de belangrijkste kenmerken van fronten is dat hun voorrand sterke verticale snelheden heeft die wind of stroming kunnen genereren.
Om de rol van intercyclonische filamenten op Jupiter beter te begrijpen, werkte Siegelman samen met co-auteur Patrice Klein van NASA’s Jet Propulsion Laboratory, het California Institute of Technology en de Ecole Normale Superieure. Ze keken naar een reeks infraroodbeelden van het noordpoolgebied van Jupiter, gemaakt door Juno in stappen van 30 seconden. Met een infraroodcamera op het ruimtevaartuig kon het team de temperatuur berekenen, omdat heldere delen van het beeld warmer waren en donkere delen koeler. Op Jupiter kwamen warmere delen van de atmosfeer overeen met dunnere wolken. De koelere delen vertegenwoordigen een dikkere bewolking die meer warmte blokkeert die uit de extreem hete kern van de planeet ontsnapt. Het team volgde vervolgens de beweging van wolken en vezels met tussenpozen van 30 seconden en berekende horizontale windsnelheden.
[Related: Jupiter’s icy ocean worlds could be cool travel destinations in the future.]
Ze berekenden de verticale windsnelheden en zagen dat de filamenten zich feitelijk hetzelfde gedroegen als fronten op aarde. De verticale windsnelheden aan de randen van de fronten op Jupiter zorgden ervoor dat de fronten betrokken waren bij de overdracht van energie – in de vorm van warmte – van het hete binnenste van de planeet naar de bovenste atmosfeer. Dit veroorzaakt gigantische cyclonen. Hoewel convectie de belangrijkste aanjager is, drijven fronten ongeveer 25 procent van de cyclonen op Jupiter aan en 40 procent van de verticale warmteoverdracht op de planeet.
“Deze cyclonen aan de polen van Jupiter zijn blijven bestaan sinds ze voor het eerst werden waargenomen in 2016”, zei Siegelman. ‘Deze filamenten tussen grote wervels zijn relatief klein, maar vormen wel een belangrijk mechanisme voor het in stand houden van de cycloon. Het is fascinerend dat fronten en convectie aanwezig en invloedrijk zijn op de aarde en Jupiter – dit suggereert dat deze processen ook aanwezig kunnen zijn op andere turbulente vloeibare lichamen in de ruimte.”
Betere verbindingen
De enorme schaal van Jupiter en de hoge resolutiebeelden van Juno kunnen een duidelijker visualisatie opleveren van hoe kleinschalige activiteiten zoals fronten zich verbinden met grotere activiteiten zoals cyclonen en de atmosfeer als geheel. Deze verbindingen zijn vaak moeilijk te zien op aarde, waar ze kleiner en kortstondig zijn.
De nieuwe Surface Water and Ocean Topography (SWOT)-satelliet zou ook de observatie van dit soort oceaanfenomenen in toekomstige studies kunnen vergemakkelijken.
“Er schuilt een kosmische schoonheid in de wetenschap dat deze fysieke mechanismen op aarde ook op andere verre planeten bestaan”, zei Sigelman.