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Astronomie+Physik

Blitze und Ammoniak-Hagel auf dem Jupiter

Jupiterblitze
Illustration der hohen Blitze auf dem Jupiter. (Bild: NASA/JPL-Caltech/ SwRI/ MSSS/ Gerald Eichstädt/ Heidi N. Becker/ Koji Kuramura)

Blitze gehören zu den Phänomenen, die es nicht nur auf er Erde gibt: Auch auf dem Jupiter haben Raumsonden schon solche Entladungen beobachtet. Doch jetzt enthüllen Aufnahmen der NASA-Sonde Juno, dass die Blitze des Jupiter auch in den Wolkenbereichen zucken, in denen es sie eigentlich nicht geben dürfte. Denn mit minus 70-80 Grad Celsius ist es an der Oberseite der Wolkendecke zu kalt für Wassertröpfchen, die für die Blitzbildung gebraucht werden. Eine Erklärung dafür könnte jedoch Ammoniak liefern. Denn dieses Gas wirkt für die Wassereiskristalle der hohen Jupiteratmosphäre als „Gefrierschutzmittel“.

Der Gasriese Jupiter ist für seine gewaltigen Wirbelstürme und planetenumspannenden Wolkenbänder bekannt. Einige seiner Stürme reichen sogar bis zu 3000 Kilometer in sein Inneres hinab. Rund ein Prozent der gewaltigen Masse des Jupiter ist demnach ständig in Bewegung und rast in den Sturmbändern um den Planeten. Und auch die Wolkenschichten des Gasriesen haben eine enorme vertikale Ausdehnung. Sie bestehen größtenteils aus gefrorenem Ammoniak und Ammoniumhydrogensulfid, einige Wolken enthalten aber auch Wasser. Aufnahmen der NASA-Raumsonde Voyager haben schon 1970 nachgewiesen, dass es in diesen Wolken auch Gewitter mit Blitzen gibt. Die Beobachtungen und physikalische Modelle legten aber nahe, dass diese Blitze nur in tieferen Wolkenschichten vorkommen. Denn dort liegen die Temperaturen um den Gefrierpunkt, so dass es dort noch Wolkentröpfchen aus flüssigem Wasser geben könnte – den Ladungsträgern in den elektrisch aufgeladenen Gewitterwolken.

Unerwartet hohe Blitze

Doch nun haben Messdaten der NASA-Raumsonde Juno auf dem Jupiter auch Blitze an ungewöhnlicher Stelle nachgewiesen. „Die nahen Vorbeiflüge der Sonde erlaubten es uns, etwas überraschendes zu sehen – kleine, flachere Blitze, die in weit größeren Höhen der Jupiteratmosphäre entstanden, als man es zuvor für möglich gehalten hätte“, berichtet Erstautorin Heidi Becker vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena. Die Blitze dauern meist nur wenige Millisekunden und flackern in kurzer Folge auf. Aus der Ausdehnung des Blitzscheins in den Wolken von teilweise nur 30 Kilometern schließen die Forscher, dass diese Entladungen aus einer Tiefe stammen müssen, die deutlich oberhalb der bisher bekannten Blitze liegt. Sie verorten die Blitze in einer Zone, in der Temperaturen von weniger als minus 66 Grad herrschen – dies ist weit unterhalb der Werte, bei der es noch flüssiges Wasser geben kann.

„Das ist unerwartet und deutet darauf hin, dass diese Blitze durch einen noch unbekannten Prozess erzeugt werden“, sagt Co-Autor Yuri Aglyamov von der Cornell University in Ithaca. „Wieder einmal haben Junos Beobachtungen gezeigt, dass die Atmosphäre des Jupiter weit komplexer ist als gedacht.“ Wie aber können die Höhenblitze des Jupiter entstehen? Auf der Suche nach einer Erklärung, fiel den Wissenschaftler eine weitere Beobachtung ein: Juno und andere Raumsonden vor ihr hatten nachgewiesen, dass einige tiefere Zonen der jovianischen Gashülle auffallend wenig Ammoniak enthalten. Diese Verarmung ließ sich mit bisherigen Modellen jedoch nicht erklären. “ Ammoniakregen kann zwar einen Teil des Ammoniaks auswaschen, aber er reicht nicht tief genug, um die Verarmung der unteren Schichten zu erklären“, sagt Co-Autor Scott Bolton vom Southwest Research Institute in San Antonio.

„Matschbälle“ aus Ammoniak

An diesem Punkt setzt die Studie eines zweiten Forscherteams an. Tristan Guillot von der Universität der Cote d’Azur haben mithilfe eines neuen Atmosphärenmodells des Jupiter aufgezeigt, dass starke Stürme Wassereiskristalle bis in die oberen Gasschichten schleudern können. Wenn diese Kristalle dort auf gasförmiges Ammoniak stoßen, senkt dies den Gefrierpunkt des Wassers und die Kristalle werden zu flüssigen Wassertröpfchen. „In diesen Höhen wirkt das Ammoniak wie ein Gefrierschutzmittel und erlaubt so die Bildung von Wolken aus Ammoniak-Wasser-Tröpfchen“, erklärt Becker. Wenn dann diese Tröpfchen mit aufsteigenden Eiskristallen kollidieren, kommt es zum Ladungsaustausch und die Wolken laden sich elektrisch auf. Ist eine bestimmte Schwelle erreicht, entlädt sich die Spannung und die Höhenblitze entstehen.

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Gleichzeitig aber bewirkt diese Wechselwirkung von Ammoniak und Wasser, dass sich eine Art Graupel in den hohen Wolken bilden. Sie bestehen aus Schichten von halbflüssigem Ammoniak-Wasser-Matsch, die von einer festen Wassereiskruste umgeben sind. Ähnlich wie bei Hagelkörnern auf der Erde lagern sich im Laufe der Zeit immer weitere Eisschichte an diese „Matschbälle“ an, so dass sie immer größer werden. „Schließlich werden die Matschbälle so groß, dass selbst die starken Aufwinde sie nicht mehr in der Schwebe halten können“, erklärt Guillot. Die Ammoniak-Wasser-„Bälle“ fallen aus dieser Wolkenschicht aus und gelangen bis in tiefe Schichten der Jupitergashülle. „Das transportiert Ammoniak und Wasser in die tiefen Bereiche der Jupiteratmosphäre – und es erklärt, warum das Ammoniak an manchen Stellen zu fehlen scheint.“ In diesen Bereichen hat der Ammoniakhagel für die Verarmung gesorgt. Die „Matschbälle“ erklären demnach nicht nur die flachen Blitze, sondern auch die stellenweise Verarmung der Jupitergashülle.

Quelle: Heidi Becker (NASA Jet Propulsion Laboratory, Pasadena) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2532-1; Tristan Guillot (Université Cote d’Azur) et al., JGR Planets, doi: 10.1029/2020JE006403

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