Jupiter
Wenn man alle Planeten unseres Sonnensystems zusammentragen würde, so wäre die erhaltene Masse immer noch geringer als die Masse des Jupiter. Mit 1,9 · 1027 [kg] ist er mit Abstand der größte Planet. Zum ersten Mal treffen wir nun auf einen Planeten, der keine feste Oberfläche aufweist, eine Sonde könnte hier also nicht landen. Jupiter ist ein riesiger Gasball von 142 984 [km] Durchmesser, der gegenüber den bisher beschriebenen, erdähnlichen Planeten eine weitere Besonderheit aufweist: Er strahlt 1,9-mal mehr an Wärme in den Weltraum ab, als er von der Sonne empfängt. Das ist seltsam, denn nukleare Reaktionen können nicht in seinem Innern ablaufen, dazu ist die Masse viel zu gering. Auch der radioaktive Zerfall unstabiler Elemente kann nicht die Ursache sein. Eine plausible Erklärung dieses Phänomens ist noch nicht sicher, möglicherweise wird aber Wärme abgestrahlt, weil der Planet sich noch heute zusammenzieht. Damit wäre umgewandelte Gravitationsenergie die Wärmequelle.
Jupiter umläuft die Sonne auf einer Ellipsenbahn, deren großer Halbmesser 778,4 Millionen [km] misst. Aus einer durchschnittlichen Bahngeschwindigkeit von 13,07 [km/s] resultiert eine Umlaufzeit von 11,86 Jahren (siderische Umlaufzeit). Von der Sonne ist der Gasriese im Mittel 5,2 [AE] entfernt, der Erde kann er bis auf 588 Millionen [km] nahe kommen, sich jedoch bis zu 967 Millionen [km] von uns entfernen. Bei größter Annäherung steigt seine scheinbare Helligkeit auf bis zu -2,5m an, wodurch er heller als Sirius ist.
Foto: Hubble- Teleskop, mit freundlicher Genehmigung von Reta Beebe, Amy Simon und NASA
Wenn wir einen Blick auf Jupiter werfen, ist das vergleichbar mit der Venus: nichts als Wolken sind zu erkennen, was auch schon aus der relativ hohen Albedo von 0,7 hervor geht. Allerdings sind die äußeren Schichten hier deutlich strukturierter.
Leicht kann man Formationen wie Streifen und Flecken erkennen, wie im oberen Bild zu sehen. Die parallel zum Äquator verlaufenden Streifen nennt man, wenn sie bräunlich oder rötlich verfärbt sind, Gürtel. Die hellen Streifen werden allgemein als Zonen bezeichnet. Wie entstehen die Streifen? Genaues hierzu ist nicht bekannt. Es ist jedoch zu vermuten, dass die von innen nach außen gerichtete Wärmeströmung und die schnelle Rotation des Planeten ein kompliziertes Strömungssystem ausbilden. Konvektionszellen, wie wir sie von der Sonne als Granulation kennen, werden durch die Jupiterrotation zu streifenförmigen Gebilden lang gezogen. Auch die unterschiedlichen Färbungen von Gürteln und Zonen lassen darauf schließen: die hellen Streifen sind deutlich wärmer als die dunkler erscheinenden.
Die Jupiteratmosphäre ist sicher kein gemütlicher Aufenthaltsort. Allein die Temperatur von rund -120 [°C] ist nicht sehr einladend. Hinzu kommen Stürme, wie wir sie auf der Erde zum Glück nicht kennen: Äquatoriale Westwinde erreichen leicht über 500 [km/h]! Darüber hinaus bilden sich häufig "Reibungsstellen" zwischen Zonen und Gürteln, an denen sich deutliche, wenn auch kurzlebige Wirbel bilden. Diese kann man sich wie die irdischen Tornados bzw. Hurrikans vorstellen, nur sind sie auf Jupiter um einiges heftiger.
Foto: Voyager 1, mit freundlicher Genehmigung der NASA
Neben seiner Lage relativ zur Umgebung ändert der Große Rote Fleck gelegentlich auch seine Farbe. Die Wolken in diesem Komplex sind die bislang höchsten, die je in der Jupiteratmosphäre beobachtet wurden. Neben dem Roten Fleck existieren noch weitere Wirbel. Es handelt sich dabei um Hochdruckwirbel, die als helle Ovale vornehmlich auf der südlichen Halbkugel auftreten. Sie können einige zehn Jahre bestehen. Rotbraune, ovale Wirbel sind Tiefdruckzonen, die wir auf der Nordhalbkugel antreffen und die höchstens 1 oder 2 Jahre bestehen.
Die Zusammensetzung der Jupiteratmosphäre entspricht der durchschnittlichen kosmischen Elementhäufigkeit. Seit Entstehung des Planeten hat sie sich nicht wesentlich geändert. Die Spektralanalyse der oberen Atmosphärenschicht zeigt uns somit annähernd, wie die Urnebelwolke beschaffen war. Den Löwenanteil beansprucht damit Wasserstoff, dem häufigsten Element im Kosmos. 90 % der Jupiteratmosphäre bestehen daraus, fast 10 % kommen dem Helium zu.
Aus den Untersuchungen der Raumsonde Galileo geht auch die übrige Zusammensetzung hervor: in Spuren finden sich Verbindungen wie Methan, Ammoniak, Wasser, Phosphin und Schwefelwasserstoff. Noch geringer sind die Konzentrationen einiger organischer Verbindungen (Ethan, Acetylen) und der Edelgase Xenon und Krypton. In nebenstehender Darstellung sehen wir einige der Daten eingezeichnet, die von einer durch Galileo in die Jupiteratmosphäre abgesetzten Sonde ermittelt wurden. In der Kurve sind dem zunehmenden Druck die Temperaturen gegenüber gestellt, verglichen mit irdischen Bedingungen.
Mit freundlicher Genehmigung der NASA
Der Aufbau des Planeten Jupiter ist natürlich nur wenig bekannt, doch kann man aus vielen Beobachtungen gewisse Schlüsse ziehen: Die geringe mittlere Dichte von 1,33 [g/cm3] weist auf Wasserstoff als Hauptbestandteil hin. Die Abplattung lässt auf eine große Zentralmasse schließen, denn bei einer gleichmäßigen Dichteverteilung müsste die Abplattung deutlich größer sein. Zudem weist Jupiter ein starkes Magnetfeld auf, es muss also im Innern einen wie auch immer gearteten Dynamomechanismus geben.
Copyright Calvin J. Hamilton, www.solarviews.com
Sehr interessant ist das ausgeprägte Magnetfeld des Jupiter, das mit 1,2 · 10-3 [T] (Tesla) fast zehnmal stärker als das der Erde ist. Genau bekannt ist der Mechanismus nicht, welcher das Magnetfeld erzeugt. Der metallische Wasserstoff dürfte hier allerdings eine tragende Rolle spielen. Denn planetare Magnetfelder entstehen allgemein dann, wenn plastische, elektrisch leitende Massen unterschiedlich zum übrigen Planetenkörper rotieren. Die Zone des metallischen Wasserstoffs rotiert in rund 9 Stunden. Die in ihr fließenden hohen elektrischen Ströme spannen das riesige Magnetfeld auf, und da es fest im Jupiterinnern verankert ist, wird es mit gleicher Geschwindigkeit mitgeschleppt.
Während das Magnetfeld zur Sonne etwa 6 Millionen [km] ausgedehnt ist, erstreckt es sich auf der sonnenabgewandten Seite rund 700 Millionen [km] bis weit über die Saturnbahn hinaus. Auf der sonnenzugewandten Seite bildet sich eine Stossfront, wenn die elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwinds auf das Magnetfeld prallen und es zusammenstauchen. Auf der sonnenabgewandten Seite wird es dagegen in die Länge gezogen. Damit liegen auch die Monde Jupiters in seinem Magnetfeld, was einige Besonderheiten bewirkt. Den Raum, den das Magnetfeld ausfüllt, bezeichnet man als Magnetosphäre. Sie ist das größte Gebilde im ganzen Sonnensystem.
Mit freundlicher Genehmigung der NASA
Jupiters Magnetfeld ist ein recht komplexes System, wie folgende Grafik veranschaulicht:
Der Mond Io, welcher der aktivste vulkanische Körper im Sonnensystem ist, schleudert ständig große Schwefelfontänen ins All. Dieses Material wird in der Magnetosphäre ionisiert, so dass sich ein 2 Jupiterradien breiter Torus längs der Io- Bahn aus Schwefel- (sowie Sauerstoff-) Ionen ausbreitet (gelber Ring in der Bildmitte). Das Magnetfeld wirkt zudem wie der irdische van- Allan- Gürtel als "Falle" für die hochenergetischen, geladenen Partikel des Sonnenwinds, die mit dem Magnetfeld in erster Linie in den äußeren Bereichen wechselwirken. Da sich nur geladene Teilchen in der Magnetosphäre aufhalten, haben wir es hier mit einem Plasma zu tun, welches der Rotation des Magnetfeldes folgen muss. In den Außenbereichen herrschen hohe Zentrifugalkräfte, die das Plasma in eine Scheibenform (Plasma sheet) zwingen. Die Magnetfeldlinien werden hier so verbogen, dass sie am Ende parallel zur Scheibe liegen. Vom weiter entfernten Mond Europa geht ebenfalls ein Torus aus, der aus Wasserdampf besteht (hier nicht eingezeichnet). Hier wird nämlich Eis von der Mondoberfläche durch eine von der Jupitermagnetosphäre ausgehende hochenergetische Strahlung verdampft. Diese Strahlung beobachten wir als eine ständige Synchrotronstrahlung im Dezimeterwellenbereich, die manchmal durch plötzliche Strahlungsausbrüche überdeckt wird. Ursache hiervon werden sicherlich Störungen des Magnetfeldes sein, die Aktivität der Io spielt dabei wohl eine gewichtige Rolle.
Mit freundlicher Genehmigung der NASA
Man kann das Magnetfeld in drei Zonen unterteilen:
- Der innere Bereich ist etwa 20 Jupiterradien groß und ringförmig. Er lässt sich in weitere Strahlungsgürtel unterteilen, die durch unterschiedliche Konzentrationen von Protonen und Elektronen gebildet werden. Die Monde Io, Europa, Ganymed und Kallisto stellen neben dem Jupiterring (siehe weiter unten) die Quelle zur Versorgung dieser Zone mit Plasma dar, wobei der Io der größte Anteil zufällt.
- Der mittlere Teil des Magnetfeldes reicht von ungefähr 20 bis hin zu 50 Jupiterradien. Wie schon weiter oben beschrieben, wird hier das Plasma durch die schnelle Rotation in eine Scheibe gezwungen.
- Im äußeren Bereich ist das Plasma immer weniger an das Magnetfeld gebunden, hier wechselwirken vor allem die Teilchen des solaren Windes mit dem Magnetfeld. Welche Form das Feld hier einnimmt, ist noch ungeklärt.
Ein typisches Kennzeichen der großen Gasplaneten ist ein Ringsystem. So weist auch Jupiter ein derartiges Gebilde auf.
Copyright Calvin J. Hamilton, www.solarviews.com
Es ist möglich, dass der Ring nach innen immer dünner wird und sogar bis zur Atmosphäre herabreicht. Entdeckt wurde das Gebilde erst 1979 von der Sonde Voyager 1, man kann den Ring heute allerdings auch mit den modernen Instrumenten von der Erde aus beobachten. Umgeben ist er von einem Halo in Linsenform, der bis zur Atmosphäre herunter reicht und dort eine Stärke von vielleicht 20 000 [km] aufweist. Der Ring besteht aus Myriaden von Staubteilchen, deren Durchmesser wohl bei einigen Tausendstel Millimetern beginnt und bis hin zu einigen Zentimetern oder mehr reicht. Diese Partikel sind einem andauernden Bombardement von Mikrometeoriden und Teilchen aus dem Strahlungsgürtel ausgesetzt und unterliegen damit einer ständigen Zertrümmerung. Auch sorgen häufige Zusammenstösse für eine fortwährende Erosion. Wobei die zerkleinerten Partikel nach und nach, innerhalb von vielleicht 1000 bis 10 000 Jahren in die Jupiteratmosphäre driften, während die Zertrümmerung der größeren Brocken und der Monde Adrastea und Metis den Ring ständig weiter mit Nachschub an Material versorgen.
Abschließend die wichtigsten Planetendaten in tabellarischer Form:
| Planetendaten Jupiter | |
|---|---|
| Planetenmasse | 1,900·1027 [kg] |
| Mittl. Planetendurchmesser | 142 984 [km] |
| Mittl. Dichte | 1,33 [g cm-3 ] |
| Entweichgeschwindigkeit | 59,5 [km s-1] |
| Rotationsperiode | 9 [h] 50 [min] 30 [s] Äquator 9 [h] 55 [min] 40 [s] Pole |
| Umlaufzeit | 4.332,71 Tage |
| Bahngeschwindigkeit | 13,07 [km s-1] |
| Bahnumfang | 4.900.000.000 [km] |
| Neigung Jupiterachse zur Ekliptik | 3°13' |
| Abstand zur Sonne | Perihel: 740,52 Mio. [km] Aphel: 816,62 Mio. [km] |
| Exzentrizität | 0,0484 |
| Oberflächentemperatur | -121 [°C] (Mittel) |
| Atmosphärendruck | 0,7 [bar] |
| Albedo | 0,70 |
| Magnetfeldstärke | 1,2·10-3 [T] |