Stürme mit über 1.000 Stundenkilometern auf Neptun und Uranus

24.05.2013 (11:49) von | Kategorie: Allgemein
Fast 60-mal größer als die Erde: der äußerste Planet unseres Sonnensystems. (© NASA; Foto: Voyager 2)

Fast 60-mal größer als die Erde: der äußerste Planet unseres Sonnensystems. (© NASA; Foto: Voyager 2)

REHOVOT (wi) – Eine neue Forschungsarbeit des Weizmann-Instituts, der Universität von Arizona, USA, und der Tel Aviv Unversität, die kürzlich in dem Fachmagazin “Nature” veröffentlicht wurde, zeigt, dass die Windmuster, die auf der Oberfläche zu erkennen sind, für die genannten Planeten auch nur auf diese Oberfläche beschränkt sind. Wie sieht die langfristige Wettervorhersage für die Riesenplaneten Uranus und Neptun aus? Auf diesen Planeten wehen extreme Winde mit Geschwindigkeiten von über 1000 km/h, hurrikanähnliche Stürme, etwa so groß wie der Umfang der Erdkugel, immense Wettersysteme, die über Jahre anhalten und schnellfließende Jetströme. Beide Planeten weisen ähnliche Wetterbedingungen auf, obwohl Uranus mehr zur Seite kippt und ein Pol im Winter zur Sonne zeigt. Die Winde auf diesen Planeten wurden an ihren äußeren Oberflächen beobachtet, aber um einen Einblick in ihr Wettersystem zu erhalten, müssen wir zunächst verstehen wie es in den Schichten darunter aussieht. Steigen diese atmosphärischen Muster beispielsweise aus der Tiefe der Planeten auf oder beschränken sie sich auf flachere Prozesse nahe an der Oberfläche?

Die atmosphärische Zirkulation auf einem Planeten ohne eine feste Oberfläche zu verstehen ist nicht einfach, da dort keine Abgrenzungen zwischen festen, flüssigen und gasartigen Schichten wie auf der Erde existieren. Seit man diese starken atmosphärischen Winde in den 1980ern mit dem Voyager-II-Raumschiff entdeckte, waren die vertikalen Ausmasse dieser Winde das eigentliche Rätsel – eines, das unser Verständnis der Physik der atmosphärischen Dynamiken und der internen Strukturen dieser Planeten stark beeinflußte. Aber ein Forschungsteam, angeführt von Dr. Yohai Kaspi aus dem Fachbereich Umweltwissenschaften und Energieforschung am Weizmann Institut erkannte einen Weg, der auf einem neuartigen Ansatz zur Analyse des Gravitationsfeldes der Planeten basierte, um eine obere Grenze für die Dicke einer atmosphärischen Schicht festlegen zu können.

Abweichungen in der Verteilung der Masse in Planeten bewirken messbare Fluktuationen im Gravitationsfeld. Auf der Erde ist z.B. für ein Flugzeug, das in der Nähe eines hohen Berges fliegt, eine leichte Gravitationsanziehung dieses Berges spürbar. Genau wie die Erde sind Riesenplaneten des Sonnensystems sich schnell drehende Körper. Eigentlich drehen sie sich alle viel schneller als die Erde; die Drehungen von Uranus und Neptun betragen je 17 bzw. 16 Stunden. Aufgrund dieser schnellen Drehung wirbeln die Winde in Gegenden mit hohem und niedrigem Druck. (In einem Körper, der sich nicht dreht, würde es einen Fluß von hohem zu niedrigem Druck geben.) Dies ermöglicht es den Wissenschaftlern die Beziehungen zwischen der Aufteilung des Drucks und der Intensität und den Windfeldern des Planeten zu trennen. Diese physikalischen Prinzipien ermöglichten es Kaspi und seinen Ko-Autoren erstmals die Gravitation der Windmuster zu kalkulieren und damit dann eine durch Winde festgelegte Gravitationskarte dieser Planeten zu erstellen.

Durch Computerisierung der Gravitationsfelder vieler idealer Planetenmodelle ohne Wind, die von Teammitglied Dr. Ravit Heller von der Tel Aviv Universität durchgeführt wurde, und dann durch den Vergleich dieser mit den beobachteten Gravitationsfeldern, erhielt man die oberen Grenzen zum meteorologischen Beitrag zu den Gravitationsfeldern. Dies ermöglichte es dem Kaspi-Team, welches die Professoren Adam Showman und Bill Hubbard von der Universität von Arizona und Prof. Oded Aharonson vom Weizmann Institut einschloß, zu zeigen, dass die Gasströme, die man in der Atmosphäre beobachten kann, sich auf eine “Wetterschicht” beschränkten, die eine Tiefe von nicht mehr als 1000 km beträgt und die nur einen kleinen Prozentanteil der Masse dieser Planeten ausmacht.

Obwohl in der nahen Zukunft noch keine Raumschiffmissionen zum Uranus und Neptun geplant sind, hofft Kaspi, dass die Forschungsergebnisse seines Teams für die Analyse weiterer bald geplanter Beobachtungen der atmosphärischen Zirkulationsmuster des Planeten Jupiter hilfreich sein werden. Kaspi, Helled und Hubbard gehören zu einem Wissenschaftsteam des Juno-Raumschiffs der NASA zum Jupiter. Das Juno-Raumschiff wurde in 2011 ins All geschickt und wenn es in 2016 Jupiter erreicht, wird es sehr genaue Messungen der Gravitationsfelder dieses riesigen Gasplaneten liefern. Unter Verwendung der gleichen Methoden wie in der gegenwärtigen Studie will Kaspi dieselbe Art von Informationen erhalten, die sie für Uranus und Neptun erhielten. Sie wollen die Grenzen der Tiefe der atmosphärischen Dynamik dieses Planeten festlegen.

Uranus und Neptun sind vom Sonnensystem am weitesten entfernt und es gibt nach wie vor viele offene Fragen in Bezug auf ihre Formation und Zusammensetzung. Diese Studie hat Implikationen auf die Enthüllung der Rätsel ihres tiefen und dunklen Inneren und könnte sogar Informationen darüber liefern, wie diese Planeten entstanden sind. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass viele der anderen Sterne in nächster Nähe zu Uranus und Neptun eine ähnliche Masse besitzen und somit diese Forschungsarbeit auch für das Verständnis ähnlich großer Planeten außerhalb des Sonnensystems wichtig sein wird.

Das Weizmann Institut in Rehovot, Israel, gehort weltweit zu den fuhrenden multidisziplinaren Forschungseinrichtungen. Seine Wissenschaftler, Studenten, Techniker und anderen Mitarbeiter sind in einem breiten Spektrum naturwissenschaftlicher Forschung tatig. Zu den Forschungszielen des Instituts gehoren neue Moglichkeiten im Kampf gegen Krankheit und Hunger, die Untersuchung wichtiger Fragestellungen in Mathematik und Informatik, die Erforschung der Physik der Materie und des Universums und die Entwicklung neuer Werkstoffe und neuer Strategien fur den Umweltschutz.

(Weizmann Institut)

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