Op Jupiter waaien hele diepe winden

Astronomie Alle kennis over planeet Jupiter, van zijn kern tot de cyclonen op zijn polen, veranderde door metingen van ruimtesonde Juno.

Op de zuidpool van Jupiter draaien cyclonen die, onverklaard, al maandenlang op hun plaats blijven. Foto NASA/SWRI/JPL/ASI/INAF/IAPS

De zwaartekracht op Jupiter varieert en op het noordelijke halfrond zijn de variaties groter dan op het zuidelijke halfrond. Dat blijkt uit metingen van de ruimtesonde Juno die sinds juli 2016 in een elliptische baan om gasplaneet Jupiter cirkelt.

Juno bracht het zwaartekrachtsveld van de planeet in kaart en heeft daarmee wetenschappers in staat gesteld om diep in het dichte wolkendek van Jupiter te ‘kijken’. Donderdag publiceerde Nature drie artikelen over de noord-zuid-asymmetrie in het zwaartekrachtsveld.

Gasbol

Die asymmetrie was een verrassende ontdekking. Jupiter is een planeet die voornamelijk uit gas bestaat en het idee was dat zo’n ronddraaiende gasbol een perfect symmetrisch zwaartekrachtsveld zou hebben.

Bekijk hier de foto’s van Jupiter die tijdens de Juno-missie zijn gemaakt

Eén van de negen wetenschappelijke instrumenten van Juno haalde dat idee onderuit. Dat wisselt radiogolven van een specifieke frequentie uit met een grondstation op aarde. Via het zogeheten dopplereffect (de verandering in de waargenomen frequentie van de radiogolven ten gevolge van de snelheid) wordt gemeten in hoeverre de ruimtesonde afwijkingen in het zwaartekrachtsveld van Jupiter ondervindt. En dat veld vertoont kleine, maar duidelijke variaties. waarmee de ruimtesonde beweegt.

De Argentijnse astrofysicus Yamila Miguel, sinds dit jaar verbonden aan Sterrewacht Leiden, heeft aan alle drie net verschenen Nature-publicaties meegewerkt. Zij legt uit hoe zij en haar collega’s het asymmetrische zwaartekrachtsveld verklaren: „Wanneer we naar de winden in de atmosfeer van Jupiter kijken, valt op dat het noordelijk halfrond en het zuidelijk halfrond niet elkaars spiegelbeeld zijn. Omdat we weten dat het diepe inwendige symmetrisch is ten opzichte van de evenaar en de rotatie-as, moeten de gemeten asymmetrieën in het zwaartekrachtsveld geheel door atmosferische dynamiek ontstaan. Het zijn de door de wind meegesleepte luchtmassa’s die het asymmetrische zwaartekrachtsveld van Jupiter veroorzaken.”

Weersverschijnselen

Dat impliceert dat de winden in de Jupiteratmosfeer zich tot op flinke diepte voortzetten. „Als ze zich tot een ondiepe laag zouden beperken, zou er niet veel massa in het spel zijn en zouden de afwijkingen in het zwaartekrachtsveld niet zo groot zijn als we nu hebben gemeten”, aldus Miguel.

De atmosfeer van de aarde is 1.000 kilometer dik, maar alle weersverschijnselen spelen zich af binnen 20 kilometer boven het oppervlak. Bij Jupiter is het heel anders. Bij zo’n grote gasplaneet is het niet onmiddellijk duidelijk waar de atmosfeer eindigt. Of de planeet een vaste kern heeft moet nog blijken.

Vloeibaar lichaam

Aan de hand van computersimulaties concluderen Miguel en haar collega’s dat de krachtige winden op Jupiter tot een diepte van 3.000 kilometer reiken – ruim 4 procent van de straal van de planeet. Het nog diepere inwendige roteert vrijwel als één geheel.

„We moeten ons Jupiter voorstellen als een ‘vloeibaar’ lichaam”, legt Miguel uit, „waarvan de buitenste laag – de atmosfeer en alles tot een diepte van 3.000 kilometer – anders roteert dan het inwendige van de planeet.” Daarmee doelt Miguel op het feit dat het gas aan de polen trager om de as van Jupiter draait dan aan de evenaar.

Miguel: „Die differentiële rotatie houdt op bij een diepte van 3.000 kilometer doordat de elektrische geleidbaarheid van de daar sterker samengedrukte vloeibare gassen naar binnen toe snel oploopt. Op zekere diepte bereikt die het punt waarop zoveel ‘magnetische wrijving’ ontstaat dat de differentiële rotatie wordt onderdrukt.”

Poolcyclonen

In een vierde Jupiter-publicatie in Nature doet een team van wetenschappers onder leiding van de Italiaanse fysicus Alberto Adriani verslag van Juno-waarnemingen van de polen van Jupiter. Rond die polen zijn opvallend standvastige formaties van cyclonen te zien.

Bij de noordpool gaat het om één centrale cycloon omgeven door acht andere cyclonen. Hun afmetingen lopen uiteen van 4.000 tot 4.600 kilometer. Rond de centrale cycloon boven de zuidpool zijn slechts vijf andere cyclonen te zien, maar die zijn met afmetingen van 5.600 tot 7.000 kilometer wel wat groter. Ook in dat opzicht is Jupiter dus niet symmetrisch.

Tijdens de zeven maanden dat de cyclonen zijn waargenomen hebben ze geen significante veranderingen vertoond. Het noordelijke achttal en het zuidelijke vijftal lijken ook nauwelijks om de centrale cycloon te roteren. Hoe deze vaste formaties zijn ontstaan en waarom de cyclonen zich niet samenvoegen tot één grote cycloon, zoals bij de planeet Saturnus lijkt te zijn gebeurd, is nog onduidelijk.