Jupiter: Rätsel der Streifenwechsel gelöst?

Mysteriöser Wandel: Alle paar Jahre verändern die auffallenden Sturmbänder des Jupiter ihre Farbe und Infrarothelligkeit. Aber warum? Die Ursache für diese periodischen Wechsel könnten Wissenschaftler nun gefunden haben – sie liegt tief im Inneren des Gasriesen verborgen. Denn Messdaten der NASA-Raumsonde Juno und Modellsimulationen legen nahe, dass zyklische Schwingungen im Magnetdynamo des Jupiter den Wärmetransport an die Oberfläche und damit auch die Sturmbänder stören.

Neben dem Großen Roten Fleck sind die Streifen das auffallendste Merkmal des Gasplaneten Jupiter: Seine riesigen Sturmbänder bilden ein Hell-Dunkelmuster, gebildet durch die abwechselnd mit und gegen die Planetendrehung rasenden Winde. Diese Streifen sind auch in Infrarotaufnahmen deutlich zu erkennen: Die mit dem Planeten rotierenden Windbänder sind wolkenärmer und erscheinen hell, weil dort Wärme aus tieferen Schichten abgestrahlt wird. Die Sturmbänder in Gegenrichtung sind wolkiger und kühler.

Periodischer Farb- und Wolkenwechsel

Das Merkwürdige jedoch: „Alle vier bis fünf Jahre ändern sich die Dinge plötzlich: Die Farben der Sturmbänder wechseln und manchmal sieht man auch globale Turbulenzen, bei denen das gesamte Wettermuster des Planeten vorübergehend verrücktspielt“, erklärt Koautor Chris Jones von der University of Leeds. Auch die im Infrarot messbaren Temperaturen der Streifen verändern sich in diesem Takt. „Warum dies geschieht, war jedoch bisher ein Rätsel“, so Jones.

Theoretisch wäre es denkbar, dass diese periodischen Wechsel von oben her ausgelöst werden – durch Veränderungen in der Stratosphäre des Jupiter. Ebenso möglich ist aber, dass Veränderungen tieferliegender Strömungen und Prozesse dafür verantwortlich sind. „Bisher konnte aber kein theoretisches Modell die zeitlichen Abstände zwischen den Wechseln reproduzieren“, erklärt das Team um Erstautorin Kumiko Hori von der Universität Kobe.

Der Große Blaue Fleck und das Magnetfeld

Jetzt könnten die Forschenden dieses Rätsel der Streifenwechsel geklärt haben. Ausgangspunkt für ihre Studie waren Beobachtungen an einem speziellen Ort auf dem Jupiter – dem Großen Blauen Fleck. Dieser liegt knapp südlich des Jupiteräquators und zeigt eine besonders hohe magnetische Intensität. Zudem enthüllten Messdaten der NASA-Raumsonde Juno und einiger ihrer Vorgänger im Jahr 2019, dass diese Magnetintensität nicht gleichbleibt, sondern ebenfalls schwache, aber klar zyklische Schwankungen aufweist.

Könnten solche internen Schwankungen des Jupiter-Magnetfelds hinter den rätselhaften Streifenwechseln stecken? Um das herauszufinden, bildeten Hori und ihre Kollegen das magnetische Geschehen in einem physikalischen Modell nach. Dabei suchten sie nach Mechanismen, die zyklische Schwankungen in den passenden Intervallen hervorrufen könnten.

Schwingende Wellen im Magnetdynamo

Tatsächlich wurde das Team fündig: „Es gibt solche wellenartigen Bewegungen in einem planetaren Magnetfeld – sie werden als Torsions-Oszillationen bezeichnet“, sagt Jones. Diese Schwingungen existieren nur tief unter der Jupiteroberfläche, weil dort Helium und Wasserstoff unter dem enormen Druck metallähnlich leitend werden. Dadurch können die Strömungen in diesem Milieu wie ein Magnetdynamo wirken. Die Modellierung enthüllte, dass die dort vorkommenden Torsions-Oszillationen periodisch schwanken können.

„Das Spannende daran: Als wir die zeitlichen Perioden dieser Oszillationen berechneten, korrespondierten sie mit den Intervallen, die man auch in den Streifen und der Infrarot-Abstrahlung des Jupiter sieht“, berichtet Jones. Demnach liegt die Halbperiode dieser magnetischen Schwankungen bei 4,6 bis 4,7 Jahren und damit sehr nahe an der mittleren Periode der Streifenwechsel von 4,8 Jahren.

Konvektion und Wärmetransport als Bindeglied?

Nach Ansicht der Wissenschaftler legt dies nahe, dass die rätselhaften Farb- und Bewölkungswechsel der Jupiter-Sturmbänder eine tief im Inneren des Planeten liegende Ursache haben – die magnetischen Torsions-Schwingungen. Noch ist allerdings nicht geklärt, wie genau die mehr als 3.500 Kilometer unter der Wolkendecke des Jupiter liegenden Oszillationen das atmosphärische Wettergeschehen beeinflussen. Die Forschenden vermuten jedoch, dass wärmetransportierende Konvektionsströme in den dazwischen liegenden Schichten das Bindeglied bilden könnten.

„Wir schlagen vor, dass die schraubenartigen Oszillationen Scherkräfte erzeugen, die die langsamen Konvektionsströme stören, die Wärme aus dem tiefen Inneren bis in die sichtbare Troposphäre transportieren“, erklärt das Team. In jedem Fall sei es sinnvoll, nun diese magnetohydrodynamischen Wellen näher zu erforschen. „Sie könnten neue Einblicke in die Ursachen der quasi-periodischen Wettermuster geben, aber auch in die interne Dynamik und den Dynamo des Jupiter“, so Hori und ihre Kollegen. (Nature Astronomy, 2023, doi: 10.1038/s41550-023-01967-1)

Quelle: University of Leeds