Storme på Jupiter forstyrrer planetens farverige bælter

Stormskyer forankret dybt i Jupiters atmosfære påvirker planetens hvide zoner og farverige bælter, skabe forstyrrelser i deres flow og endda ændre deres farve.

Takket være koordinerede observationer af planeten i januar 2017 af seks jordbaserede optiske og radioteleskoper og NASAs Hubble-rumteleskop, et University of California, Berkeley, astronomen og hendes kolleger har været i stand til at spore virkningerne af disse storme – synlige som lyse faner over planetens ammoniak-isskyer – på de bælter, hvor de optræder.

Observationerne vil i sidste ende hjælpe planetforskere med at forstå den komplekse atmosfæriske dynamik på Jupiter, hvilken, med sin store røde plet og farverige, lagkage-lignende bånd, gøre den til en af ​​de smukkeste og mest foranderlige af de gigantiske gasplaneter i solsystemet.

En sådan fane blev bemærket af amatørastronomen Phil Miles i Australien et par dage før de første observationer af Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) i Chile, og billeder taget en uge senere af Hubble viste, at fanen havde affødt en anden fane og efterladt en nedstrøms forstyrrelse i båndet af skyer, det sydlige ækvatorialbælt. De stigende faner interagerede derefter med Jupiters kraftige vinde, som strakte skyerne mod øst og vest fra deres oprindelsessted.

Tre måneder tidligere, fire lyspunkter blev set lidt nord for det nordlige ækvatorialbælt. Selvom disse faner var forsvundet i 2017, bæltet var siden blevet udvidet mod nord, og dens nordlige kant havde skiftet farve fra hvid til orangebrun.

"Hvis disse faner er kraftige og fortsætter med at have konvektive begivenheder, de kan forstyrre et af disse hele bands over tid, selvom det kan tage et par måneder, " sagde studieleder Imke de Pater, en UC Berkeley professor emerita i astronomi. "Med disse observationer, vi ser en fane i gang og eftervirkningerne af de andre."

Analysen af ​​fanerne understøtter teorien om, at de stammer omkring 80 kilometer under skytoppene på et sted domineret af skyer af flydende vand. Et papir, der beskriver resultaterne, er blevet accepteret til offentliggørelse i Astronomisk Tidsskrift og er nu online.

Ind i stratosfæren

Jupiters atmosfære er for det meste brint og helium, med spormængder af metan, ammoniak, svovlbrinte og vand. Det øverste skylag består af ammoniak-is og omfatter de brune bælter og hvide zoner, vi ser med det blotte øje. Under dette ydre skylag sidder et lag af faste ammoniumhydrosulfidpartikler. Endnu dybere, omkring 80 kilometer under det øvre skydæk, er et lag af flydende vanddråber.

Stormskyerne de Pater og hendes hold undersøgte vises i bælterne og zonerne som lyse faner og opfører sig meget som cumulonimbus-skyerne, der går forud for tordenvejr på Jorden. Jupiters stormskyer, som dem på jorden, er ofte ledsaget af lyn.

Optiske observationer kan ikke se under ammoniakskyerne, imidlertid, så de Pater og hendes team har sonderet dybere med radioteleskoper, inklusive ALMA og også Very Large Array (VLA) i New Mexico, som drives af National Science Foundation-finansierede National Radio Astronomy Observatory.

ALMA-arrayets første observationer af Jupiter var mellem 3. og 5. januar 2017, få dage efter, at en af ​​disse lyse faner blev set af amatørastronomer i planetens sydlige ækvatorialbælte. En uge senere, Hubble, VLA, Tvillingerne, Keck og Subaru observatorier på Hawaii og Very Large Telescope (VLT) i Chile tog billeder i det synlige, radio- og melleminfrarøde områder.

De Pater kombinerede ALMA radioobservationer med de andre data, fokuserede specifikt på den nybryggede storm, da den slog gennem de øvre dæks skyer af ammoniak-is.

Dataene viste, at disse stormskyer nåede så højt som tropopausen - den koldeste del af atmosfæren - hvor de spredte sig meget ligesom de amboltformede cumulonimbusskyer, der genererer lyn og torden på Jorden.

"Vores ALMA-observationer er de første, der viser, at høje koncentrationer af ammoniakgas opstår under et energisk udbrud, " sagde de Pater.

Observationerne stemmer overens med én teori, kaldet fugtig konvektion, om hvordan disse faner dannes. Ifølge denne teori, konvektion bringer en blanding af ammoniak og vanddamp højt nok - omkring 80 kilometer under skytoppene - til at vandet kan kondensere til væskedråber. Det kondenserende vand frigiver varme, der udvider skyen og løfter den hurtigt opad gennem andre skylag, i sidste ende bryde gennem ammoniak-isskyerne i toppen af ​​atmosfæren.

Fanens momentum bærer den underafkølede ammoniaksky over de eksisterende ammoniak-isskyer, indtil ammoniakken fryser, skabe et lyst, hvid fane, der skiller sig ud mod de farverige bånd, der omkranser Jupiter.

"Vi var virkelig heldige med disse data, fordi de blev taget få dage efter, at amatørastronomer fandt en lys fane i det sydlige ækvatorialbælte, " sagde de Pater. "Med ALMA, vi observerede hele planeten og så den fane, og da ALMA sonderer under skylagene, vi kunne faktisk se, hvad der foregik under ammoniakskyerne."

Hubble tog billeder en uge efter ALMA og fangede to separate lyspunkter, hvilket antyder, at fanerne stammer fra den samme kilde og føres østpå af jetstrømmen i høj højde, fører til de store forstyrrelser, der ses i bæltet.

Tilfældigvis, tre måneder før, lyse faner var blevet observeret nord for det nordlige ækvatorialbælt. Observationerne fra januar 2017 viste, at dette bælte var udvidet i bredden, og båndet, hvor fanerne først var blevet set, blev fra hvidt til orange. De Pater har mistanke om, at den nordlige udvidelse af det nordlige ækvatorialbælt er et resultat af, at gas fra de ammoniakudtømte faner falder tilbage i den dybere atmosfære.

De Paters kollega og medforfatter Robert Sault fra University of Melbourne i Australien brugte speciel computersoftware til at analysere ALMA-dataene for at opnå radiokort af overfladen, der kan sammenlignes med billeder i synligt lys taget af Hubble.

"Jupiters rotation hver 10. time slører normalt radiokort, fordi disse kort tager mange timer at observere, " sagde Sault. "Desuden, på grund af Jupiters store størrelse, vi var nødt til at 'scanne' planeten, så vi kunne lave en stor mosaik til sidst. Vi udviklede en teknik til at konstruere et komplet kort over planeten."