Schwingender Riese

Winzige Tempoänderungen

Mit den Messungen kann man ermitteln, wie diese immensen Massen im Innern des Planeten verteilt sind. Dafür wird Junos Radio-Experiment eingesetzt. Das Prinzip: Die Bewegung der Sonde wird durch Jupiters Schwerkraft dominiert, also auch von der Massenverteilung in seinem Innern. Wenn Juno Regionen überfliegt, unter denen die Gasmassen dichter oder weniger dicht sind, ändert sich die Geschwindigkeit der Sonde.

Selbst sehr kleine Veränderungen lassen sich durch den Dopplereffekt als Frequenzverschiebungen der Radiowellen messen. Dabei werden Radiowellen von 8 und 32 Gigahertz genutzt und zwischen Juno und der 34-Meter-Antenne am Goldstone Observatory in der kalifornischen Mojave-Wüste hin und her gefunkt. Die nötige Präzision lässt sich allerdings nur erreichen, weil auch kleine Störkräfte, die auf die Sonde einwirken, exakt bekannt sind. „Die beeindruckende Genauigkeit beträgt bis zu 0,01 Millimeter pro Sekunde“, begeistert sich Daniele Durante von der Sapienza-Universität in Rom, der an der Auswertung der Messungen beteiligt ist. Auf das Schwerefeld übertragen bedeutet das: Schwankungen, die 60 Millionen Mal kleiner als die Erdbeschleunigung sind, werden messbar.

Ein Resultat betrifft die zonalen Strömungen in der Gashülle. Diese Winde in den hellen und dunklen Wolkenbändern rasen in östlicher oder westlicher Richtung um den Planeten und erreichen dabei bis zu 360 Kilometer pro Stunde. Die Forscher konnten mit Junos Schweremessungen zeigen, dass sich diese Bewegungen in der Tiefe fortsetzen: Sie reichen bis zu 3.000 Kilometer unter die Wolkendecke.

Noch ist unklar, wie sich diese Strömungen bilden. Einen Hinweis gaben Daten des Mikrowellen-Instruments an Bord, mit dem man ebenfalls in den Gasball spähen kann. Es misst bei Wellenlängen von 1,4 bis 50 Zentimetern und kann auch tiefe Schichten bis zu einem Umgebungsdruck von 1000 Bar sondieren. Die Messungen deuten auf einen Zusammenhang mit auf- und abströmendem Ammoniak-Gas hin.

„Indem wir dem Ammoniak folgten, fanden wir sowohl in der Nord- als auch in der Südhalbkugel Zirkulationszellen, die den Ferrel-Zellen ähneln“, berichtete Keren Duer vom Weizmann-Institut im israelischen Rehovot mit einem internationalen Team 2021 in den Geophysical Research Letters. Solche Zellen, die den Namen des US-amerikanischen Meteorologen William Ferrel aus dem 19. Jahrhundert tragen, sind in mittleren geografischen Breiten auch Teil der großräumigen irdischen Zirkulation. „Während die Erde eine Ferrel-Zelle pro Hemisphäre hat, gibt es auf dem Jupiter jeweils acht – jede davon ist mindestens 30-mal größer“, sagt Duer.

Flacher Fleck

Bei zwölf Vorbeiflügen an Jupiter stand der Große Rote Fleck im Zentrum des Radio-Experiments. Am 12. Februar und 21. Juli 2019 passierte ihn Juno in nur 13.000 und 19.000 Kilometer Abstand. Ein Team um Marzia Parisi vom Jet Propulsion Laboratory in Pasadena bei Los Angeles berichtete darüber 2021 in der US-Fachzeitschrift Science.

Die Resultate deuten darauf hin, dass der Fleck tief in der Gashülle verwurzelt ist. Er erstreckt sich 300 Kilometer in die Tiefe, was den Wert aus Junos Mikrowellenmessung von mindestens 240 Kilometer bestätigt. Der Sturm reicht tiefer als der Bereich, in dem Wasser kondensiert.

Gleichwohl ist der Wirbelsturm flacher als die ihn umgebenden zonalen Strömungen. Auch im Vergleich zur Erde erscheint er flach. Wenn man das horizontale und vertikale Ausmaß ins Verhältnis setzt, beträgt der Quotient nur 0,5 Prozent. Das ist deutlich flacher als bei irdischen Wirbelstürmen, wo dieser Wert ein bis vier Prozent beträgt.

Die Mechanismen, die Zyklone und Antizyklone auf der Erde antreiben, sind allerdings sehr unterschiedlich, schreibt das Parisi-Team. So spielt die feste Oberfläche eine wichtige Rolle. Da Jupiter keine solche hat, ist momentan unklar, warum der Große Rote Fleck nur eine Tiefe von wenigen 100 Kilometern hat, obwohl seine Umgebung, die ihn antreibt, viel tiefer reicht. Gleichwohl steht ein flacher Fleck eher im Einklang mit dessen Schrumpfungsprozess, den man in den letzten Jahrzehnten beobachtet hat, meint Parisi (siehe bdw 10/2018, „Auf Tuchfühlung mit dem Riesen“).

Schwingungen in der Tiefe

Junos Radio-Experiment konnte dem Planeten noch weitere Geheimnisse entlocken, wie Daniele Durante zusammen mit Kollegen in der Fachzeitschrift nature communications 2022 berichtete. Auch dabei ging es um die Bewegungen der Gasmassen in Jupiters Innerem.

Die Planetenforscher untersuchten innerhalb von fünf Jahren winzige Schwankungen in Jupiters Schwerefeld. Sie stützten sich auf Messungen, die Juno bei 22 Orbits vorgenommen hatte. Die Sonde hatte sich der Wolkendecke bis auf 4.000 Kilometer genähert. Die Datenauswertung zeigte, dass sich die Schwerkraft des Gasriesen im Zeitverlauf leicht verändert. Jupiters Innenleben ist also in ständiger Bewegung. Die äußersten Gasschichten schwingen in vertikaler Richtung: 15 bis 80 Meter etwa alle 15 Minuten. Das erinnert an irdische Meereswellen und Erdbeben.

Allerdings betrug die Messzeit Junos nur jeweils sechs bis acht Stunden. Ein langsamerer Schwingungsmodus war deshalb nicht messbar. Durante ist aber optimistisch: Speziell ausgelegte Instrumente auf künftigen Raumsonden könnten den Weg zu einer neuen wissenschaftlichen Disziplin bereiten: der Seismologie von Gasplaneten.