Scheiding van helium en waterstof stuurt klimaat op Jupiter; Droog maar veel wind

Op 7 december daalde de atmosfeercapsule van de ruimtesonde Galileo met succes aan een parachute af in de grotendeels uit waterstof en helium bestaande atmosfeer van Jupiter. Gedurende een periode van 58 minuten verrichtte de sonde metingen in een steeds dichter en heter wordend milieu. Die metingen werden eerst gestuurd naar het moederschip Galileo, dat ze later in een zeer langzaam tempo (doordat de hoofdantenne niet werkt) naar de aarde ging zenden. Een analyse van de allereerste metingen levert al verrassingen op.

De eerste metingen werden ontvangen toen de sonde zich op een hoogte van 20 kilometer boven het zichtbare wolkendek bevond, ongeveer 15 tot 20 km lager dan was gepland. Op deze hoogte heerste een temperatuur van -145ß8 C en een druk van 0,35 atmosfeer. De sonde bleef in werking tot op een diepte van 140 km, waar de temperatuur was opgelopen tot 150ß8 C en de druk tot 22 atmosfeer. De valsnelheid tijdens de 58 minuten durende afdaling was dus bijna 160 kilometer per uur.

Theoretici hadden verwacht dat de sonde drie wolkenlagen zou passeren: de laag van ammoniakkristallen (een soort cirrus) die vanaf de aarde wordt waargenomen, een laag van wolken ammoniumhydrosulfide en een laag van wolken die uit waterdamp bestaan. De instrumenten detecteerden echter maar één vage wolkenlaag met een vooralsnog onduidelijke samenstelling: 'een lichte nevel met een zicht van misschien een mijl', aldus een van de onderzoekers. Als ook latere analyses geen duidelijke wolken aan het licht brengen, wordt het voor de onderzoekers moeilijker een inzicht te krijgen in de vertikale bewegingen in de atmosfeer van Jupiter.

Langs het gemeten daaltraject werd slechts de helft van de verwachte hoeveelheid helium gemeten. Ook de hoeveelheden zuurstof (afkomstig van de ontleding van water), zwavel en neon waren geringer dan de theoretische atmosfeermodellen hadden voorspeld. Verder was de gemeten bliksem-activiteit tot een factor tien geringer dan die op aarde en waren de gemeten temperaturen in het algemeen wat hoger dan verwacht. Dit alles wijst er op dat de meetsonde in een opmerkelijk droog gebied zat.

Het bestaan van zulke gebieden was al bekend uit waarnemingen vanaf de aarde. Deze gebieden ontstaan waar de atmosfeer van Jupiter - na eerst door opstijging een groot deel van de waterdamp en andere condenseerbare gassen te zijn kwijtgeraakt - daalt en warmer wordt. Astronomen schatten dat zulke 'woestijngebieden' slechts één procent van het oppervlak van de atmosfeer bestrijken. Het is dus wel heel toevallig dat de atmosfeersonde in zo'n gebied is terecht gekomen. De vraag is nu in hoeverre de metingen in dit gebied (en de afwijkingen van wat men had verwacht) representatief zijn voor de atmosfeer van Jupiter als geheel.

Restant

Jupiter bestond kort na zijn ontstaan waarschijnlijk voor ongeveer 26 procent uit helium (net als de zon), maar de atmosfeersonde mat nu slechts de helft. Dit verschil hangt mogelijk samen met de warmteproduktie in Jupiter. Al lange tijd is bekend dat Jupiter ongeveer 60 procent méér warmte uitstraalt dan hij van de zon ontvangt. Deze extra warmte zou het 'restant' kunnen zijn van het ontstaans- en afkoelingsproces van de planeet, of zou (mede) kunnen vrijkomen doordat Jupiter nog steeds héél langzaam inkrimpt.

Maar de extra warmte zou ook kunnen worden geproduceerd doordat helium onder invloed van de enorme druk op grotere diepte in Jupiter tot druppels condenseert: een proces dat al in 1973 werd gesuggereerd door de Amerikaanse astronoom Edward Salpeter. De heliumdruppels zakken langzaam dóór de omringende waterstof heen naar steeds grotere diepten, waarbij grote hoeveelheden warmte vrijkomen. Ook de geringere hoeveelheden neon zouden zo kunnen worden verklaard: dit gas wordt door de heliumdruppels meegetrokken.

Jupiter is dus waarschijnlijk een planeet die geleidelijk verandert van een goed gemengde bol van waterstof en helium (en andere sporenelementen) in een bol waarin de helium vooral in de kern zit en de lichtere waterstof in de mantel. Deze verandering zou ook kunnen plaatsvinden in Saturnus, want ook in diens atmosfeer is er helium 'zoek' en ook die planeet zendt veel meer warmte uit dan hij van de zon ontvangt. Onbekend is of dit proces al heeft geleid tot het ontstaan van stabiele lagen waarin de warmte niet door convectie maar door straling wordt getransporteerd.

Wolkenbanden

De meetsonde registreerde tijdens zijn afdaling in de atmosfeer windsnelheden tot 530 km per uur, een stuk hoger dan men had verwacht. Deze winden zijn verantwoordelijk voor de karakteristieke wolkenbanden op Jupiter. De windsnelheid nam tijdens de afdaling niet noemenswaard af, wat suggereert dat de atmosfeer tot op grote diepte in flinke beroering is en dat de motor van het 'weer' op Jupiter eerder de diepe convectiestromen zijn dan (zoals sommige astronomen dachten) het door de wolken geabsorbeerde zonlicht. Ook deze convectie hangt waarschijnlijk samen met de energie die diep in het inwendige vrijkomt als gevolg van het condenseren van helium.

Het moederschip Galileo, dat mogelijk nog tot mei bezig blijft met het naar de aarde zenden van de metingen van de in Jupiter vergane atmosfeercapsule, draait nu in een langgerekte baan om planeet. In maart wordt een baancorrectie verricht, die Galileo dichter bij Jupiter moet brengen en er tevens voor moet zorgen dat de ruimtesonde eind juni op een afstand van slechts enkele honderden kilometers langs de grote satelliet Ganymedes scheert. In de loop van dit en het komende jaar zullen ook andere grote satellieten van Jupiter - en ook de planeet zelf - van nabij worden bestudeerd.