Verbeterde artist perception op basis van JunoCam-afbeelding van Jupiter, verkregen op 21 juli 2021.
NASA / SwRI / MSSS / Tanya Oleksuik, CC BY-NC-SA
NASA’s Juno-missie, de door zonne-energie aangedreven robotverkenner van Jupiter, heeft zijn vijfjarige key-missie voltooid om de innerlijke werking van de grootste planeet van het zonnestelsel te onthullen. Sinds 2016 is het ruimtevaartuig elke 53 dagen binnen een paar duizend kilometer van de kleurrijke wolkentoppen van Jupiter gevlogen, fulfilled behulp van een zorgvuldig geselecteerde reeks instrumenten om dieper dan ooit tevoren in de planeet te kijken.
De meest recente bevindingen van deze metingen zijn nu gepubliceerd in een reeks artikelen, die de driedimensionale structuur van de weersystemen van Jupiter onthullen – inclusief van de beroemde Grote Rode Vlek, een eeuwenoude storm die groot genoeg is om de aarde in zijn geheel te verzwelgen.
Vóór Juno hadden tientallen jaren van waarnemingen het beroemde gestreepte uiterlijk van de atmosfeer van Jupiter aan het licht gebracht, satisfied witte banden die bekend staan als zones en roodbruine banden die bekend staan als gordels. De banden worden gescheiden doorway krachtige winden die naar het oosten en westen razen, bekend als de jetstreams, en worden onderbroken doorway gigantische draaikolken, zoals de rode vlek.
Maar wetenschappers hadden lang vermoed dat deze weerpatronen slechts het topje van de ijsberg waren, en dat verborgen en onvoorziene verschijnselen de atmosfeer diep onder de sluier van wolken zouden kunnen vormen. In tegenstelling tot de aarde heeft de atmosfeer van Jupiter geen oppervlak en kan daarom worden beschouwd als een bodemloze afgrond.
Juno heeft drie manieren om naar beneden te kijken onder de maalstroom van deze bewolkte bovenlagen. Het kan kleine veranderingen in de zwaartekracht van Jupiter meten om de verdeling van massa helemaal tot aan de vage kern te voelen. Het kan het magnetische veld van Jupiter meten om de stromen in diepe, gemagnetiseerde vloeistoflagen te bepalen. En het kan microgolflicht gebruiken om dwars door de wolken te kijken.
De grote rode vlek
Jupiters Grote Rode Vlek heeft het de afgelopen jaren zwaar gehad. Het is al tientallen jaren gestaag aan het krimpen in de oost-west richting, en recente ontmoetingen satisfied kleinere wervels hebben ertoe geleid dat enorme vlokken roodachtig materiaal uit de plek zelf zijn getrokken. Deze afbladderende gebeurtenissen, hoewel lastig voor supporters van de bekendste storm in het zonnestelsel, lijken oppervlakkig te zijn en hebben alleen invloed op de roodachtige waas die bovenop de vortex zit.
Jupiters Grote Rode Vlek bij PJ18 (2019), fulfilled grote vlokken rood materiaal 10 westen (hyperlinks) van de vortex.
NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill
Maar enthusiasts van de storm kunnen troost putten uit de nieuwste bevindingen van Juno. In 2017 kon Juno de rode vlek in microgolflicht waarnemen. Toen Juno in 2019 achieved meer dan 200.000 kilometer for each uur boven de vortex vloog, volgde NASA’s Deep Place Community de snelheid van het ruimtevaartuig op miljoenen kilometers afstand. Er werden minuscule veranderingen van slechts ,01 millimeter per seconde gedetecteerd, veroorzaakt doorway de zwaartekracht van de massieve plek.
Doorway deze microgolf- en zwaartekrachtgegevens te modelleren, konden mijn collega’s en ik vaststellen dat de beroemde storm minstens 300 km diep is, misschien wel 500 km diep. Dat is dieper dan de verwachte wolkenvormende “weerlaag” die tot ongeveer 65 km onder het oppervlak reikt, maar hoger dan de jetstreams die zich tot 3000 km kunnen uitstrekken. Hoe dieper de wortels, hoe groter de kans dat de Rode Vlek de komende jaren zal blijven bestaan, ondanks de oppervlakkige slagen die het heeft gekregen door voorbijgaande stormen.
Om de diepte in perspectief te plaatsen, draait het internationale ruimtestation ongeveer 420 km boven het aardoppervlak. Maar ondanks deze nieuwe bevindingen zou de plek nog steeds een “pannenkoekachtige” structuur kunnen zijn die in de bodemloze atmosfeer drijft, achieved een breedte van 12.000 km die 40 keer groter is dan de diepte.
Het mysterie van riemen en zones
In de wolkenvormende weerlaag zagen Juno’s microgolfantennes de verwachte structuur van gordels en zones. De koele zones leken donker, wat wijst op de aanwezigheid van ammoniakgas, dat microgolflicht absorbeert. Omgekeerd waren de banden helder in microgolflicht, wat overeenkomt met een gebrek aan ammoniak. Deze heldere en donkere banden in de weerlaag waren perfect uitgelijnd met de hogere wind, gemeten aan de bovenkant van de wolken. Maar wat gebeurt er als we dieper graven?
De gordels en zones van Jupiter waargenomen in microgolflicht, vergeleken met de kleuren van de wolkentoppen (inbound links) en de winden op de wolkentoppen (rechts).
Credit history: NASA/JPL/SwRI/Univ. Leicester
De temperatuur van de atmosfeer van Jupiter is precies goed voor de vorming van een waterwolk ongeveer 65 km onder de wolkentoppen. Toen Juno doorway deze laag tuurde, vond hij iets onverwachts. De banden werden microgolfdonker en de zones werden microgolfhelder. Dit is het volledige omgekeerde van wat we zagen in de ondieper bewolkte gebieden, en we noemen deze overgangslaag de “jovicline” – zo’n 45-80 km onder de zichtbare wolken.
Een “cline” is een laag in een vloeistof waar eigenschappen drastisch veranderen. De oceanen van de aarde hebben een thermocline, die gemengd oppervlaktewater scheidt van koud en diep water eronder. Dit is geen nieuw idee – de legendarische sciencefictionschrijver Arthur C. Clarke voorzag de reis van de Kon Tiki-ballon naar de atmosfeer van Jupiter in zijn korte verhaal uit 1971, A Meeting with Medusa. Hij beschrijft de ballon die naar beneden reist naar een Joviaanse thermocline en de bijbehorende wolkenbank.
De jovicline kan de ondiepe, wolkenvormende weerlaag scheiden van de diepe afgrond eronder. Dit onverwachte resultaat houdt in dat iets al die ammoniak verplaatst.
Een lopende band?
Een mogelijkheid is dat elke jetstream wordt geassocieerd met een ‘circulatiecel’, een klimaatfenomeen dat gassen rondbeweegt via stromen van stijgende en dalende lucht. Het stijgen kan ammoniakverrijking veroorzaken en de dalende ammoniakuitputting. Als dat waar is, zouden er ongeveer acht van deze circulatiecellen op elk halfrond zijn. De aarde vertoont soortgelijke fenomenen: de Hadley-cel, genoemd naar de Engelse natuurkundige en meteoroloog George Hadley, in de tropen, en de Ferrel-cellen, genoemd naar de Amerikaanse meteoroloog William Ferrel, op middelhoge breedtegraden beïnvloeden beide het weer en het klimaat van de aarde.
Andere meteorologische verschijnselen kunnen verantwoordelijk zijn voor het verplaatsen van de ammoniak in deze diepe atmosfeer. Hevige stormen in de gordels van Jupiter kunnen bijvoorbeeld papperige hagelstenen achieved ammoniakwater veroorzaken (bekend als “mushballs”), die ammoniak in de ondiepe gordels uitputten voordat ze diep vallen, en uiteindelijk verdampen om de gordels op grote diepten te verrijken.
Wat duidelijk is, is dat Juno een nieuw venster op de donkere, diepe atmosfeer heeft geopend en dat de resultaten ons begrip van deze gigantische planeet op de proef stellen. Terwijl Juno aan zijn uitgebreide missie begint, zullen wetenschappers werken aan het begrijpen van deze nieuwe bevindingen.
Leigh Fletcher is een Juno Collaborating Scientist en ontvangt financiering van een European Investigate Council (ERC) Consolidator Grant.
