Atmosferische eigenschappen van andere planeten:
Planeten in ons zonnestelsel hebben bijzondere en opvallende atmosferen. Een enkele heeft zelfs géén atmosfeer en een andere een hele dichte.
We zien extreme broeikaseffecten en regen van ijzer, helium of diamanten, naast stormen die eeuwenlang kunnen woeden. Ook hun rotatiesnelheden en magnetische velden zijn opvallend en uniek..
Inhoudsopgave:
Video: Mercurys Double Sunrises
Video: Venus' atmosferische superrotatie
Video: Jupiter's duizelingwekkende rotaties
Magnetisch veld en poollicht Jupiter
Video: Jupiter's torenhoge onweersbuien
Magnetosfeer en poollicht Saturnus
Het regent helium in de kern van Saturnus
Video: Ook regent 't diamanten op Saturnus
Uranus en Neptunus de twee ijsreuzen
Bron afbeelding: Kuuke's Sterrenbeelden
De roterende paradox zonder wind.
Mercurius ligt het dichtst bij de Zon en kent temperaturen van +350 tot -170 graden, een echte wereld van uitersten. Wie denkt dat elke planeet atmosferische circulatie en stormen heeft, die vergist zich. Het bijzondere aan Mercurius is dat deze planeet geen atmosfeer heeft en dat er daarom geen wind waait.
Waarom Mercurius niet aan wind doet:
Voor wind, stormen en straalstromen of poolwervels heb je eigenlijk maar twee dingen nodig: een draaiende as en een atmosfeer. En dat laatste ontbreekt helemaal op Mercurius. Door de felle zonnewind en geringe zwaartekracht is een echte atmosfeer daar al miljarden jaren geleden weggeblazen. Wat resteert is slechts een flinterdunne ‘exosfeer’ van losse atomen, voornamelijk zuurstof, natrium, waterstof, helium en kalium. Zonder bewegende lucht wordt er geen warmte en energie verplaatst, en daarom is er geen sprake van planetaire circulatie.
Mercurius heeft nagenoeg geen luchtdruk. De gemiddelde luchtdruk op het oppervlak is extreem laag en bedraagt minder dan 10⁻¹⁴ bar (oftewel minder dan 1 nanopascal).
- Luchtdruk is simpelweg het gewicht van de lucht ergens boven. Die lucht bestaat uit kleine deeltjes, zoals atomen en moleculen. Op Mercurius zijn gasdeeltjes in de lucht extreem schaars en de sporadische gasdeeltjes die er zijn worden door de zonnewind voortdurend weggeblazen. Omdat er bijna geen deeltjes zijn, weegt de 'lucht er bijna niks', is er dus nauwelijks sprake van luchtdruk. De overgang van het oppervlak naar de diepe ruimte is direct, waardoor de bodem daar de grens is van de exosfeer. Op Aarde kennen we een aantal lagen vanaf de troposfeer en verder weg tot de exosfeer. Straks zullen we zien, dat Venus volgepompt is met koolstofdioxide, dus een loodzware druk van gasdeeltjesdichtheid op het oppervlak.
Wél zijn er magnetische tornado's:
Het magnetisch veld van Mercurius werkt samen met het magnetisch veld van de zonnewind en veroorzaakt soms intense magnetische tornado’s die het snelle, hete zonnewindplasma naar het oppervlak van de planeet sturen. Wanneer de ionen het oppervlak raken, slaan ze neutraal geladen atomen los en slingeren die in een lus hoog de lucht in.
Zonsopkomst en zonsondergang op Mercurius
Mercurius draait langzaam om zijn as en voltooit elke 59 aardse dagen één rotatie. Maar wanneer Mercurius het snelst beweegt in zijn elliptische baan rond de Zon, (en het dichtst bij de Zon staat), gaat elke rotatie niet gepaard met zonsopgang en zonsondergang zoals op de meeste andere planeten. De ochtendzon lijkt kort op te komen, onder te gaan en weer op te komen vanaf sommige delen van het oppervlak van de planeet. Hetzelfde gebeurt omgekeerd bij zonsondergang voor andere delen van het oppervlak.
De bizarre kosmische klok: Een dag die langer duurt dan een jaar
Eén zonnedag op Mercurius (één volledige dag-nachtcyclus) is gelijk aan 176 aarddagen – iets meer dan twee jaar op Mercurius. De rotatie-as van Mercurius is slechts 2 graden gekanteld ten opzichte van het vlak van zijn baan rond de Zon. Dat betekent dat de planeet bijna perfect rechtop draait en dus geen seizoenen ervaart zoals veel andere planeten.
Bron afbeelding: Volkssterrenwacht Orion
Dat er geen wind is, ligt in ieder geval niet aan de rotatie. Mercurius draait namelijk op een bijzondere en complexe manier om z'n as.
- De rotatie van Mercurius is 1,5 keer zo snel als de omwenteling om de planeet. In 88 aardse dagen draait Mercurius om de Zon, dus 88/1,5 = 59 aardse dagen om z’n as.
Het bizarre resultaat: een dag op Mercurius is twee keer zo lang als een jaar!
De stilstaande thermische wereld
Omdat er geen atmosferische circulatie is om de hitte te verdelen, ontstaan er enorme contrasten. De kant die naar de Zon is gericht, bakt weg bij 350 °C, terwijl de nachtzijde bevriest tot -170 °C. En op de polen? Daar zorgt de bijna kaarsrechte ashelling ervoor dat de Zon nooit in de diepe kraters schijnt. Hier liggen miljarden tonnen waterijs voor altijd bevroren—beschermd door een laag donker organisch materiaal, onaangetast door welke Rossby-golf of poolwervel dan ook.
Mercurius bewijst dat rotatie zonder atmosfeer leidt tot een stilstaande thermische wereld. Maar wat gebeurt er als we kijken naar de buurplaneet Venus? Daar vinden we exact het omgekeerde: een planeet die amper om haar as draait, maar een atmosfeer heeft die zo dik en razendsnel is, dat de polen veranderen in een kolkende, transformerende dubbele storm...
Venus heeft een extreem dichte atmosfeer van CO₂
Door het enorme broeikaseffect is de temperatuur op Venus continu extreem hoog, zowel overdag als ’s nachts, en van de evenaar tot aan de polen blijft het rond de +460 graden. Omdat de planeet bijna rechtop staat ten opzichte van haar baan om de zon, kent Venus geen seizoenswisselingen.
Venus en Mercurius vormen de uitersten van het zonnestelsel als het gaat om luchtdruk. Mercurius heeft vrijwel geen atmosfeer en deelt bijna een perfect vacuüm met de ruimte, terwijl Venus juist een dikke, verstikkende CO₂-deken om zich heen heeft. In tegenstelling tot de 10-14 bar op Mercurius, heerst er op Venus een ongelooflijke luchtdruk van maar liefst 92 bar. Dat is wel 92 miljard keer hoger dan de druk op Mercurius! Op Aarde is de leefbare luchtdruk 1013 hPa, afgerond 1000 hPa, oftewel 1 bar. Als we de extreme druk op Venus (92 bar) omrekenen naar hectopascal om te vergelijken met onze 1013 hPa, komen we uit op 92.000 hPa.
Retrograde rotatie Venus
Venus is het meest extreme voorbeeld van een retrograde rotatie in ons zonnestelsel. De planeet draait niet alleen verkeerd om, maar doet dit ook nog eens extreem traag. Omdat de planeet zo extreem traag om haar as draait, ontbreekt het "dynamo-effect". Hierdoor heeft Venus geen intern magnetisch veld om de atmosfeer te beschermen tegen de zonnewind.
De oorzaak van de vreemde, retrograde rotatie van Venus is een groot mysterie in de sterrenkunde. Wetenschappers hebben twee hoofdtheorieën, en de trage rotatie heeft grote gevolgen voor hoe het landschap eruitziet: mogelijk botste een gigantisch hemellichaam op Venus. Net zoals een hemellichaam met de Aarde botste en onze planeet daarom een wat scheve stand heeft en dus seizoenen. Het is wonderlijk om te bedenken dat één kosmische klap de Aarde veranderde in een levende planeet met seizoenen, terwijl een soortgelijke klap (samen met haar extreme atmosfeer) bijdroeg aan de stilgevallen, omgekeerde hel die Venus nu is. Als het om de Aarde en ons leven gaat, blijft er ook die mysterieuze vraag: Wat als de asteroïde de Aarde niet had geraakt?......
Nieuwere computermodellen tonen aan dat een botsing met een hemellichaam op Venus misschien niet eens nodig was. De dikke, loodzware atmosfeer van Venus wordt door de Zon opgewarmd, wat zorgt voor een enorme 'atmosferische getijdenwerking'. De Zon trekt via de zwaartekracht zo hard aan deze bewegende gaslaag dat de rotatie van de planeet gedurende miljarden jaren werd afgeremd, stilgezet en de andere kant op geduwd.
Wat doet dit met het landschap?
Op Venus is er geen erosie door regen of stromend water uit rivieren, oceanen of ijskappen zoals op Aarde. Het landschap is kurkdroog en verzengend heet, als een ware hel. Zonder watererosie blijft het oppervlak opmerkelijk intact. Ongeveer 80% bestaat uit vulkanische vlaktes, gigantische lavastromen en duizenden vulkanen. Tektonische platen bewegen nauwelijks, doordat de planeet traag draait en de korst te heet en taai is. Nog een bijzonder feit: het regent er zwavelzuur, dat door de extreme hitte verdampt voordat het de grond bereikt.
Bron afbeelding: Pixabay
Maat Mons
De vulkaan heeft een diameter van 395 kilometer en is met een hoogte van 8 kilometer de hoogste vulkaan op Venus.
Er is nóg 'n consequentie de extreme trage retrograde rotatie van de planeet: De atmosfeer raast 60 keer sneller rond dan de planeet zelf (superrotatie). Wanneer de dikke, zware luchtmassa (die de druk heeft van de diepzee) tegen gigantische Venusiaanse bergketens, zoals Maxwell Montes, botst, creëert dit gigantische atmosferische golven. Deze duwkracht tegen de bergen beïnvloedt zelfs direct de rotatiesnelheid van de planeet.
Op Venus bestaat een fenomeen dat superrotatie heet. Terwijl de planeet zelf 243 aardse dagen nodig heeft om één keer om haar as te draaien, suist de bovenste atmosfeer in slechts 4 dagen rond de planeet met windsnelheden tot wel 360 km/uur. Dit is maar liefst zestig keer sneller dan de rotatie van het vaste oppervlak van de planeet.
Door de langzame rotatie van Venus ontstaan er geen sterke circulatiecellen zoals op Aarde (polair, Ferrel en Hadley). In plaats daarvan stijgt warme lucht op bij de evenaar en stroomt langzaam in enorme Hadley-cellen richting de polen, waar gigantische, permanente poolwervels aanwezig zijn.
Bron afbeelding: Space Exploration
Bron afbeelding: ESA
- Sol : De primaire energiebron die de atmosfeer van Venus opwarmt. Omdat de Zon loodrecht op de evenaar schijnt, ontstaat daar de sterkste opwarming.
- Rotación hacia el oeste (Westwaartse rotatie): Venus draait in tegenstelling tot de meeste andere planeten van oost naar west (retrograde rotatie). Bovendien beweegt de dikke atmosfeer met een enorme snelheid om de planeet heen, een fenomeen dat bekendstaat als atmosferische superrotatie (zie afbeelding hierboven).
- Célula Hadley (Hadley-cellen): Dit zijn de grote, constante luchtstromen die zich uitstrekken van de evenaar richting de beide polen. Warme lucht stijgt op bij de evenaar, reist op grote hoogte richting de polen, koelt daar af en daalt weer naar beneden om over het oppervlak terug te keren.
- Células diurnas: Convectiecellen die worden aangedreven door het temperatuurverschil tussen de dagzijde (verlicht door de Zon) en de nachtzijde van de planeet. Lucht stijgt op aan de hete zonkant en stroomt naar de koude schaduwkant.
- Células anti-Hadley: secundaire luchtstromen die zich lager in de atmosfeer of onder de hoofdcirculatie bevinden en in tegengestelde richting van de normale Hadley-cellen bewegen om het evenwicht te herstellen.
Op deze afbeelding is prachtig te zien hoe de grootschalige atmosferische stromingen van Venus samenkomen bij de polen.
- Polar Vortex (Poolwervel): Dit zijn gigantische, permanente lagedruk-draaikolken precies gecentreerd op de Noord- en Zuidpool. Op Venus is deze vortex uniek omdat die continu van vorm verandert in een cyclus van slechts enkele dagen.
- Polar Collar: ligt direct rondom de polar vortex als een brede ring van extreem koude gassen en dikke bewolking. Deze "kraag" fungeert als een thermische barrière en isoleert de nog koudere lucht in de vortex van de warmere luchtstromen die vanaf de evenaar komen.
- Hadley-cel pijlen laten zien hoe warme lucht vanaf de evenaar op grote hoogte naar de polen stroomt. Eenmaal aangekomen bij de polaire kraag koelt deze lucht sterk af, zakt loodrecht naar beneden (wat de vortex voedt) en stroomt op lagere hoogte weer terug.
- Sub-solar to anti-solar cell: De buitenste cirkel toont de stroming die direct wordt aangedreven door de zon: lucht stijgt op bij het sub-polaire punt (waar de Zon recht boven staat) en stroomt direct naar de ijskoude nachtzijde van de planeet.
Polar Collar: ligt direct rondom de polar vortex als een brede ring. De afbeelding hierboven is 2-dimentionaal en geeft de Polar collar naast de Polar vortex.
Bron: ESA
De afbeelding hiernaast geeft een 3D-indruk
- De polar vortex (binnenste heldere structuur) is het exacte middelpunt (de spil) op de Noordpool.
- De polar collar (de donkere, koude ring) is een gigantische, cirkelvormige band (een ring) die helemaal om die vortex heen ligt.
- Het gele stipje markeert het precieze rotatiepunt van de pool. De vortex draait er in hoog tempo omheen, waardoor de heldere vorm voortdurend verandert.
Ik heb deze indrukwekkende video gedownload en zelf vertaald, omdat zowel de vertaling als de Engelse ondertiteling slecht waren!!
In deze video over mogelijk leven op de jonge planeet Venus of Mars gaat het over het fascinerende idee dat leven op andere planeten zich totaal anders zou ontwikkelen dan het leven op Aarde, inclusief de mens.
Ik ben er van overtuigd dat er in onze eigen Melkweg alleen al miljarden planeten zijn waar leven zou kunnen ontstaan en al bestaat. In het heelal zijn er dus gigantisch veel werelden waar het wemelt van leven, in ieder geval microbieel leven, elk met een geheel eigen unieke evolutie.
De evolutie op Aarde is bepaald door talloze 'toevalligheden', zoals specifieke klimaatveranderingen en massale uitstervingen door meteoriet- en asteroïde-inslagen, waaronder de inslag die de dinosauriërs deed uitsterven, die overigens gedurende 165 miljoen jaar de Aarde domineerden. Hoe stierven dinosauriërs uit
Mars draait vrijwel net zo snel als de Aarde: 24,5 uur voor één omwenteling. Het gevolg is dat Mars in de basis ook hetzelfde systeem heeft met Hadley-, Ferrel- en polaire cellen heeft! Deze circulaties zijn gemeenschappelijk voor alle planetaire atmosferen, omdat za cruciaal zijn voor het klimaatsysteem van elke planeet. Ze worden echter gemoduleerd door de specifieke eigenschappen van elke atmosfeer en planeet.
Op Mars is de atmosfeer erg dun en verschuiven de luchtcellen door de scheve as van de planeet extreem heftig tussen het noordelijk en zuidelijk halfrond tijdens de seizoenen. Tijdens de winter- en zomerzonnewenden ontstaat er één gigantische, diepe Hadley-cel die over de evenaar heen reikt. Dit verschilt sterk van de Aarde, waar de Hadley-cellen, evenals de Ferrel- en polaire cellen, netjes symmetrisch aan weerszijden van de evenaar liggen. De Ferrel-cellen op Mars zijn niet permanent aanwezig en de polaire cellen bevinden zich weliswaar rond de polen, maar gedragen zich extreem door de unieke Martiaanse CO₂-cyclus.
Atmosferische circulatie-vergelijking op Mars en op Aarde
Bron: Cambridge Core
Baroclinic waves zijn grootschalige, golvende atmosferische storingen—beter bekend als de lagedrukgebieden, stormen en fronten op de gematigde breedtegraden. Ze ontstaan door temperatuurverschillen op korte afstand wat koude- en warmtefronten creëert.
De sterke oppervlaktewinden onder deze barocliene golven tillen vaak stof op. Dit kan het begin zijn van de zogenaamde flushing dust storms, die vanaf de poolranden richting de evenaar trekken (straks meer hierover).
Bron: Encouter Edu
In West-Europa hebben we te maken met de polaire straalstroom en de Ferrelcel. De interactie tussen de Ferrelcel en de polaire cel zorgt ervoor dat de polaire Straalstroom ontstaat en ons weer hier zo wisselvallig is. De Ferrelcel functioneert als een gigantisch atmosferisch tandwiel dat warme lucht naar het noorden transporteert, waar het botst op de ijskoude lucht van de polaire cel.
Omdat de atmosferische druk op Mars zo laag is, kan CO₂-ijs niet smelten tot vloeistof. Zodra op het zuidelijk halfrond de lente nadert en 't opwarmt, verandert het ijs direct in gasvormig koolstofdioxide. Het CO₂-ijs is doorzichtig, en wanneer zonlicht erdoorheen valt en de donkere, zanderige bodem onder de ijslaag opwarmt, begint het ijs eerst aan de onderkant te sublimeren (van ijs tot gas) waardoor gasdruk ontstaat. Uiteindelijk scheurt het ijs open en schieten de gassen omhoog, waarbij donker basaltstof metershoog de lucht in wordt geblazen.
Bron afbeelding: Wikipedia
Een artistieke impressie toont de geisers beladen met zand en stof die door het koolstofdioxide-ijs heen uitbarsten. Hierdoor werd donkerder materiaal over het oppervlak verspreid.
Bron afbeedling: NASA
Zodra het stof door de geisers is losgemaakt, nemen de krachtige oppervlaktewinden (surface winds) het over via een kettingreactie. Hoe deze oppervlaktewinden de stofstormen voeden:
- De rand van de ijskap is ijskoud, terwijl de net ontdooide bodem daarnaast snel opwarmt door de Zon. Dit extreme temperatuurverschil genereert hevige, lokale winden aan de ijskaprand, die snelheden van wel 25 tot 30 meter per seconde kunnen bereiken.
- Omdat de atmosfeer van Mars erg dun is, is er een sterke wind nodig om deeltjes in beweging te krijgen. De wind tilt eerst grotere zandkorrels op. Deze zandkorrels stuiteren over de grond—een proces dat saltatie wordt genoemd. Bij elke landing slaan ze kleinere, lichtere stofdeeltjes hard omhoog.
- Dit fijne stof stijgt makkelijk op in de dunnere, net door sublimatie dikker geworden atmosfeer. Het stof absorbeert vervolgens zonlicht, waardoor de omliggende lucht opwarmt en stijgt. Dit creëert nóg lagere druk aan de oppervlakte, wat weer nóg sterkere oppervlaktewinden aantrekt: surface winds.
- Dit mechanisme kan lokale stormen transformeren tot regionale stormen, of in sommige jaren zelfs tot een planeetomvattende, globale stofstorm die Mars maandenlang in een rode mist hult.
Barocliene golven veroorzaken ook zogenoemde flushing dust storms. Ze zijn niet direct verantwoordelijk voor de wereldwijde stofstormen, maar fungeren vaak als de cruciale ontsteker of “voeding” ervan. Het zijn grootschalige, frontale stormen die ontstaan aan de rand van de noordelijke poolwervel (30°–70°N) en krachtig naar het zuiden geduwd worden, waarbij ze de evenaar oversteken. "Flushing" betekent hier de actie (het krachtig naar beneden stromen vanaf de pool), en het oversteken van de evenaar is het resultaat van die actie. Deze stormen vormen de primaire meteorologische "snelweg" waarmee atmosferisch stof van het noordelijke naar het zuidelijke halfrond wordt getransporteerd.
Bron afbeelding: ESA
Het felgekleurde, reflecterende gebied van de ijskap is in het midden van het beeld te zien. De bruine wervelende storm, die zich met een snelheid van ongeveer 70 km/u voortbeweegt, bevindt zich rechts op de afbeelding. Dit is de stofstorm die zich langs het front ontwikkelt en door de krachtige winden langs de poolwervel in een spiraalvorm wordt getrokken.
De poolkap bestaat uit waterijs, waarop in de winter een laag kooldioxide-ijs wordt afgezet. Het waterijs blijft gedurende de seizoenen aanwezig, terwijl in het voorjaar de bovenste lagen kooldioxide-ijs sublimeren en als gas weer in de atmosfeer terechtkomen
De windsnelheid van een flushing storm is vergelijkbaar met de stevigere windstoten die je normaal op het oppervlak kunt tegenkomen, maar het grote verschil is dat de "flush" een enorm, honderden kilometers breed front is dat dagenlang met die snelheid doordringt richting de evenaar.
Omdat de Marslucht zo ijl is, moeten we kijken naar de voelbare windkracht. De mechanische druk, in dit geval op een denkbeeldig lichaam, in plaats van puur naar de km/uur. Een vergelijking daarom met de windsnelheden hier op Aarde:
1. De gemiddelde 'surface wind' op Mars (10 – 25 km/u)
- Op Mars: Dit is de dagelijkse, normale wind op het oppervlak.
- De vergelijking op Aarde: Dit voelt op Mars aan als windstilte tot een onmerkbaar zuchtje wind op Aarde (minder dan 2 km/u, Windkracht 0 tot 1). Je zou er helemaal niets van voelen op je huid en een kaarsvlam zou amper flikkeren.
2. De 'flushing stormwinden op Mars (35 – 70 km/u)
- Op Mars: Dit zijn de krachtige fronten die het stof metershoog opwaaien en richting de evenaar jagen. Het zijn de motoren achter de grote stofstormen.
- De vergelijking op Aarde: Dit voelt voor een astronaut aan als een zwakke tot matige bries op Aarde (ongeveer 5 tot 10 km/u, Windkracht 2 tot 3). Het is net genoeg om een vlag zachtjes te laten wapperen of bladeren aan een boom te laten ritselen, maar absoluut niet krachtig.
3. De absolute pieken in de flushing kanalen (100 km/u)
- Op Mars: De maximale versnelling wanneer de wind door nauwe topografische gangen wordt geperst.
- De vergelijking op Aarde: Dit voelt op Mars aan als een matige wind op Aarde (ongeveer 13 km/u, Windkracht 3). Het is voelbaar op je gezicht, maar het zal je op geen enkele manier uit balans brengen
“Flushing” stofstormen zijn uniek voor de Noordpool van Mars door de bijzondere topografie en de asymmetrie van de Martiaanse seizoenen. Stofstormen rond de Zuidpool gedragen zich heel anders: ze zijn heftiger en groeien vaak uit tot wereldwijde stofstormen die de planeet wekenlang in duisternis hullen. Deze wereldwijde stormen beïnvloeden allerlei omgevingsprocessen op Mars, zoals de samenstelling van de atmosfeer, luchtcirculatie en eolische activiteit, waarbij de wind het landoppervlak vormt door zand en stof te verplaatsen.
Bron: Midjourney ZME Science
Er is waargenomen met behulp van ESA's Mars Express en NASA's MRO dat de textuur van Marsstofstormen lijkt op die van wolken in de aardatmosfeer. Op Aarde bevat de stijgende lucht water dat condenseert (wat leidt tot wolkenvorming), terwijl op Mars deze stijgende lucht stof bevat. Op basis van grootte en duur van de Marsstofstormen kan men ze grofweg indelen in vier typen, namelijk lokale, regionaal, planeetomringende/wereldwijde stofstormen en stofduivels.
De kern van deze rondwervelende stofduivel of stofhoos heeft een diameter van zo'n 140 m. De pluim van in de ijle atmosfeer van Mars opgezogen stof, rees tot ongeveer 20 km hoogte boven het oppervlak. Stofduivels ontstaan wanneer het oppervlak door de Zon wordt verwarmd, wat relatief warme opstijgende luchtstromen veroorzaakt die kunnen gaan rondwervelen. Op basis van andere HiRISE opnamen werden in stofduivels windsnelheden gemeten van tot wel 110 km/uur.
Bron: APOD
Bron: Reuzenplaneten.nl
Jupiter draait ongelooflijk snel rond: het kost slechts 10 uur om één keer om zijn as te draaien. Daardoor zijn de drie aardse cellen (Hadley, Ferrel en polair) daar vermenigvuldigd tot tientallen strakke windbanden. Het Corioliseffect is er zo sterk dat de windpatronen volledig parallel aan de evenaar lopen.
Waar de Aarde door haar rotatie wordt verdeeld in drie grote circulatiecellen per halfrond (de Hadley-, Ferrel- en polaire cel), wordt Jupiter dankzij zijn duizelingwekkende rotatiesnelheid opgesplitst in tientallen strakke, evenwijdige windbanden.
De Motor van deze windbanden.
Twee krachten drijven de extreme bandenstructuur van Jupiter aan:
- Rotatie van 10 uur: Jupiter is de grootste planeet van ons zonnestelsel, maar draait in amper 10 uur om zijn as. De evenaar raast hierdoor rond met een snelheid van 45.000 km/u. Dit wekt een monstrueus Corioliseffect op. De luchtstromen worden hierdoor zo hard afgebogen dat ze volledig horizontaal rond de planeet worden getrokken. Ze kunnen simpelweg niet meer naar het noorden of zuiden afbuigen.
- Interne Hitte: Jupiter zendt 1,5 tot 2 keer zoveel warmte uit als hij van de zon ontvangt. Deze intense hitte borrelt op uit het binnenste van de planeet en voedt de atmosfeer van onderaf met constante energie.
Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus hebben allemaal enorme, dikke atmosferen. Jupiter en Saturnus bestaan vrijwel volledig uit waterstofgas, helium en ijs, waardoor de overgang tussen hun atmosfeer en het binnenste van de planeet nauwelijks zichtbaar is. De atmosferen van Uranus en Neptunus bestaan uit een mengsel van water, ammoniak en methaan.
Wat we zien op de foto
- De lichte, wittere banen (Zones): Dit zijn de stijgende kolommen van warme lucht. De heldere witte kleur die je hier ziet, komt door de wolken van bevroren ammoniakkristallen die hoog in de atmosfeer condenseren.
- De donkere, roodbruine banen (Belts): Dit zijn de zones waar de lucht weer naar beneden stort. Omdat de lucht hier daalt, lossen de ammoniakwolken op en kijken we dieper de actieve, warmere atmosfeer in. De bruine en oranje kleuren ontstaan door complexe chemische verbindingen van zwavel en fosfor (wetenschappers noemen dit chromoforen).
- De haarscherpe overgangen: Tussen elke lichte en donkere baan in razen die tegengestelde Straalstromen van 500 km/u. Op de foto zie je dat heel goed aan de golvende, wervelende patronen op de randen van de banden; de luchtmassa's schuren daar letterlijk als vloeibaar schuurpapier langs elkaar heen.
- De Grote Rode Vlek: Onder het midden zie je de beroemde storm liggen. Je kunt nu prachtig zien hoe hij ingeklemd zit: de windband direct daarboven raast naar het westen, terwijl de windband direct daaronder naar het oosten raast.
De Grote Rode Vlek van Jupiter is de grootste atmosferische wervel in ons zonnestelsel en wordt al meer dan twee eeuwen waargenomen. Deze enorme anticycloon, die tegen de klok in draait, doet ongeveer zes dagen over één omwenteling en bereikt windsnelheden tot wel 500 kilometer per uur. De storm raast al eeuwen omdat er geen vast oppervlak is dat wrijving veroorzaakt en is groot genoeg om de aarde volledig te omvatten.
- De verticale lijnen zijn de lengtegraden (meridianen). De getallen 150, 120, 90, 60, 30
- De horizontale lijnen zijn de breedtegraden. De getallen 60, 30, 0, -30, -60.
Blauw = Magnetische Zuidpool-flux: geeft de totale hoeveelheid magnetische veldlijnen van de Zuidpool aan.
Rood = Magnetische Noordpool-flux: geeft de totale hoeveelheid magnetische veldlijnen van de Noordpool aan.
De grillige zwarte lijn die over de hele kaart heen loopt, is het profiel van Jupiter's zonale winden (de straalstromen die parallel aan de evenaar waaien).
De Grote Blauwe Vlek van Jupiter is een intrigerende, recente ontdekking in ons zonnestelsel. Hoewel de naam doet denken aan de bekende Grote Rode Vlek, is dit fenomeen van een heel andere aard. Het gaat niet om een storm die je met het blote oog kunt zien, maar om een onzichtbare, magnetische afwijking diep in de planeet.
Bron afbeelding: NewScientist
Deze chaotische kaart van het magnetisch veld van Jupiter laat de Grote Blauwe Vlek zien (rechtsonder). Het is een plek vlak bij de evenaar waar het magnetische veld extreem sterk is geconcentreerd. Wetenschappers hebben ontdekt dat de vlek niet stilstaat, maar langzaam naar het oosten over de planeet drijft.
Magnetische velden zijn weliswaar geen atmosferische eigenschappen, maar wel fundamentele kenmerken van een planeet, omdat ze direct voortkomen uit de interne structuur, rotatie en evolutie van de planeet. Toch wil ik deze eigenschappen graag bespreken in het kader van de gasplaneten.
Hoe ontstaat het magnetisch veld van Jupiter?
Wanneer je dieper in een gasplaneet afdaalt, stijgen de druk en de temperatuur naar extreme waarden.
De druk loopt op tot boven de 3 tot 4 miljoen atmosfeer.
Onder deze druk worden waterstofmoleculen zo dicht op elkaar geperst dat ze uiteenvallen in losse atomen. De elektronen laten daarbij de protonen los, waardoor een soort soep van protonen ontstaat waarin de elektronen vrij kunnen bewegen Dit fenomeen—vrij bewegende elektronen—is precies de definitie van een metaal. Omdat de elektronen zich vrij kunnen verplaatsen, is metallisch waterstof een uitstekende geleider van elektriciteit.
Het veld is aan het oppervlak zo'n 20.000 keer sterker dan dat van de Aarde. De magneetstaart strekt zich zo ver uit dat hij zelfs voorbij de baan van Saturnus reikt.
Recente waarnemingen van de James Webb ruimtetelescoop tonen aan dat Jupiter's aurora's honderden keren helderder en energieker zijn dan die van de Aarde. Waar de aurora op onze planeet vooral wordt aangedreven door de zonnewind, heeft Jupiter een eigen interne motor: zijn vulkanische maan Io, die tonnen zwavel en zuurstof de ruimte in spuwt.
De kosmische dynamo
Door de hitte uit de kern van Jupiter ontstaat er convectie: de hete vloeistof stijgt op en koelere vloeistof daalt.
Omdat de planeet tegelijkertijd razendsnel om zijn as tolt, gaan deze kolossale stromen van vloeibaar metaal hard ronddraaien.
Een stromende, elektrisch geleidende vloeistof wekt een elektrisch veld op, wat via het dynamo-effect resulteert in een gigantisch magnetisch veld.
Bij de gasreuzen verandert de magnetosfeer vlak voor de magnetopause in een platte, uitgerekte schijf, een magnetodisk.
De reden voor deze magnetodisk is dat Jupiter de vulkanische maan Io heeft, die elke seconde duizend kilo zwavel en zuurstof de ruimte in slingert. Dit levert een constante bron van plasma op, dat door de enorme centrifugale kracht naar buiten wordt geslingerd. Bovendien draait Jupiter extreem snel om zijn as.
Kometen die te dicht in de buurt komen, worden door de zwaartekracht van de planeet gevangen. Een bekend voorbeeld hiervan is de komeet Shoemaker-Levy 9. In 1994 werd deze door de enorme getijdenkrachten van Jupiter in stukken gebroken, waarna de brokstukken met een enorme klap insloegen in de atmosfeer van de planeet.
Bron afbeelding: Wikimedia commons
De volgende korte animatie neemt je mee op een virtuele reis door de exotische elektrische stormen hoog boven Jupiter. Je ziet van dichtbij de pas ontdekte ‘ondiepe bliksemflitsen’ van de Juno-missie en duikt in de krachtige atmosferische jet van een Nautiluswolk.
- Op Aarde is een gemiddelde orkaan een paar honderd kilometer breed. "The Nautilus" op Jupiter is een cyclonische draaikolk met een doorsnede van ongeveer 3.000 kilometer. Dat betekent dat deze storm breed genoeg is om bijna heel Europa te bedekken.
De tocht voert je door Jupiter’s torenhoge onweersbuien, terwijl je de nevel van ammoniak-waterregen en de ondiepe bliksem ontwijkt. Op deze hoogtes – te koud voor puur vloeibaar water – werkt ammoniakgas als antivries en smelt het waterijskristallen die door de stormen omhoog worden geslingerd. Zo ontstaat een onverwachte ammoniak-waterwolk die de hemel kan opladen met elektriciteit. De animatie is gemaakt door beelden van hoge wolken, vastgelegd door de JunoCam van NASA’s Juno-ruimtevaartuig, te combineren met computeranimatie..
Het ontstaan van bliksem op Jupiter vertoont in de basis dezelfde natuurkundige principes als op Aarde: wrijving en ladingsscheiding. Echter, de chemische samenstelling, de schaal en de locaties waar het gebeurt zijn op de gasreus totaal anders en veel exotischer.
Het basisprincipe: Hoe ontstaat de elektrische lading?
- Net als in een aardse onweerswolk ontstaat elektriciteit op Jupiter door botsingen. Krachtige opwaartse windstromen blazen ijskristallen omhoog. Tegelijkertijd zakken zwaardere deeltjes (zoals vloeibare druppels of hagel) door de zwaartekracht naar beneden.
- Wanneer deze deeltjes met enorme snelheden langs elkaar schuren en botsen, worden elektronen uitgewisseld. De bovenkant van de wolk wordt hierdoor statisch positief geladen en de onderkant negatief. Als het spanningsverschil te groot wordt, ontlaadt dit zich in een blikseminslag.
NASA-wetenschappers hebben een vreemde groene flits op Jupiter's Noordpool waargenomen: een heldere, onverwachte groene lichtflits.
De vallende ammoniak-waterdruppels botsen met omhoogkomende ijskristallen. Hierdoor raakt de wolk elektrisch geladen en ontstaat er een ontlading die 'shallow lightning' (ondiepe bliksem) genoemd worden.
Op Aarde slaat de bliksem het vaakst in rond de evenaar. Op Jupiter gebeurt dit juist bijna uitsluitend rond de polen.
De groene gloed: De flits verlicht de omringende atmosfeer. Hoewel de exacte chemische oorzaak van de groene kleur nog definitief wordt onderzocht, is de wetenschappelijke consensus dat de interactie van de energierijke ontlading met de specifieke moleculen in deze ammoniakrijke wolken deze buitenaardse groene gloed veroorzaakt.
Dit is een fragment van de video NASA Found a Green Flash on Jupiter and It Should Not Be There...
Bron video: BRIGHT SIDE
Er zijn overigens nog meer bizarre verschijnselen die Juno in de wolken van Jupiter heeft ontdekt: blauwe 'sprites' en blauwe 'elves'.
Sprites en Elves
Deze fenomenen worden veroorzaakt door enorme bliksemontladingen uit dieper gelegen, kolossale onweersbuien. De bliksem verandert het elektrische veld hoog boven de storm, wat resulteert in een ultrasnelle, heldere gloed.
- Sprites: Dit zijn flitsen die vaak een kwalachtige vorm hebben. Ze bestaan uit een centrale bol van licht met lange slierten (tentakels) die zowel naar boven als naar beneden reiken. Ze ontstaan op Jupiter in de mesosfeer op een hoogte van zo'n 50 tot 90 kilometer.
- Elves: De naam ELVES is een acroniem voor Emission of Light and Very Low Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources. Ze zien eruit als enorme, platte, snel uitdijende schijven of ringen van licht. Op Jupiter ontstaan ze nog hoger dan de sprites, op een hoogte van 75 tot 105 kilometer, en kunnen ze honderden kilometers groot worden
Op Aarde reageren sprites en elves met stikstof, wat ze een felrode kleur geeft. Op Jupiter bestaat de bovenste atmosfeer bijna volledig uit waterstof. De interactie met waterstof zorgt ervoor dat de flitsen daar blauw (of roze) opgloeien.
Het bliksemfenomeen, bekend als een sprite, wordt in deze illustratie bij Jupiter afgebeeld. De waterstofrijke atmosfeer van Jupiter zou ze blauw doen oplichten.
In de bovenste atmosfeer van de Aarde geeft de aanwezigheid van stikstof hen een roodachtige kleur.
ELVES staat voor Emission of Light and Very Low Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources. Het zijn enorme, platte schijven of ringen van licht die zich razendsnel uitbreiden. Op Jupiter verschijnen ze zelfs nog hoger dan sprites, op een hoogte van 75 tot 105 kilometer, en kunnen ze een diameter van honderden kilometers hebben.
Bron afbeelding: Daily Mail World / Credits: NASA
Bron afbeelding: Pixabay
Omdat de manen zo klein zijn, hebben ze nauwelijks eigen zwaartekracht. Het opgeworpen stof ontsnapt direct de ruimte in en wordt gevangen door de zwaartekracht van Jupiter, waar het zich uitspreidt in een ringenstelsel.
De ringen van Jupiter krijgen voortdurend nieuwe aanvoer van micro-meteorieten. De planeet heeft vier kleine, binnenste manen: Metis, Adrastea, Amalthea en Thebe. Omdat deze manen zo dicht bij Jupiter staan, trekt de immense zwaartekracht van de planeet rondzwevend ruimtepuin en interplanetair stof met hoge snelheid aan.
Bron afbeelding: NASA/JPL/Cornell University
Meer over de manen en ringen van Jupiter en de andere planeten in m'n volgende Verdieping.
De hexagonale storm van Saturnus
Bron afbeelding: Bruce Murray / The Planetary Society
Om maar meteen met één van de meest spectaculaire en raadselachtige verschijnselen in ons zonnestelsel te beginnen:
De Zeshoek (The Hexagon) van Saturnus
De mechanismen die deze vreemde vorm veroorzaken en in stand houden, werken als volgt:
De zeshoek is geen fysieke structuur, maar een patroon gevormd door wind. Precies op 78° noorderbreedte waait een permanente straalstroom naar het oosten met snelheden van wel 360 kilometer per uur. Elke zijde van de zeshoek is ongeveer 13.800 kilometer lang. Dat betekent dat één enkele zijde breder is dan de gehele diameter van de Aarde! Metingen van Cassini hebben aangetoond dat de zeshoek geen oppervlakkig wolkeneffect is. De structuur reikt honderden kilometers diep de atmosfeer in, tot in gebieden waar de druk enorm hoog is. Het is een loodzwaar, diepgeworteld weersysteem.
De straalstroom van Saturnus bevindt zich ingeklemd tussen twee andere luchtstromen die met verschillende snelheden bewegen die wrijvingen creëren. Wanneer een snelle windstrook langs tragere lucht snijdt, ontstaan er golven. Op Aarde kennen we dit als Rossby-golven die de golvende bewegingen in onze eigen straalstroom veroorzaken en lagedrukgebieden naar Europa brengen. Op Aarde botsen deze golven echter constant tegen continenten en bergketens, waardoor ze continu vervormen en breken. Saturnus heeft geen vast oppervlak en dus geen enkele wrijving, waardoor de Rossby-golf ongestoord (door bergen of oceanen) kan blijven doorstromen. De straalstroom raakt daardoor permanent in die specifieke zeszijdige plooi geduwd.
De Amerikaanse Saturnusverkenner Cassini heeft een prachtig filmpje gemaakt van de bijzondere zeshoekige straalstroom bij de Noordpool van de ringplaneet.
Bron: Astroblogs
Waarom specifiek een Zeshoek?
Om te begrijpen waarom de wind in een zeshoek waait en niet in een normale cirkel, moeten we kijken naar de vloeistofdynamica. Wetenschappers hebben dit fenomeen in laboratoria op Aarde nagebootst door vloeistof in een ronde tank te laten draaien, waarbij het centrum sneller draaide dan de buitenrand. Wat bleek? Afhankelijk van het snelheidsverschil en de viscositeit (stroperigheid) van de vloeistof, vormde de stroming spontaan geometrische figuren: driehoeken, vierkanten, zeshoeken en achthoeken.
Op Saturnus zijn de windsnelheden en de dichtheid van de atmosfeer precies zo op elkaar afgestemd dat er een stabiele golf-getal 6 ontstaat. Dit betekent dat er precies zes golftoppen en -dalen in de cirkel rond de pool passen. Omdat de golf perfect synchroon loopt met de rotatie van de planeet zelf, is het een staande golf: de vorm blijft op exact dezelfde plek gefixeerd ten opzichte van de planeet.
Een stabiel golfgetal van 6 betekent dat er precies zes golftoppen of wervels rond de volledige cirkel passen. Dit kan ontstaan door een barotrope schuifinstabiliteit, een term uit de vloeistofdynamica die een situatie beschrijft waarin de dichtheid van een vloeistof of gas uitsluitend wordt bepaald door de druk.
- De ring en de rest van de tank draaien op verschillende snelheden, waardoor een smalle, cirkelvormige straalstroom met sterke radiale snelheidsveranderingen ontstaat.
- Kleine verstoringen in die straalstroom worden versterkt en vormen golven en wervels.
- Niet elk golfgetal groeit even snel. De geometrie van de tank, de breedte en snelheid van de straalstroom, de stromingsweerstand en de totale rotatiesnelheid selecteren samen de voorkeursgolflengte.
- De elegante vorm van de zeshoek ontstaat wanneer een vloeiende, draaiende stroming zichzelf vormt in een discrete golfmodus. Bij een golfgetal van 6 zijn de zes wervels bijna gelijkmatig over de omtrek verspreid, waardoor zes afgeronde “hoeken” zichtbaar worden.
Bron: Instagram/Ormous// Tekst zelf aangepast voor mijn omschrijving.
De vorm is geen perfecte meetkundige zeshoek met rechte zijden en scherpe hoekpunten. Het is een zesvoudig symmetrische golf in een cirkelvormige straalstroom. Toch oogt zij verrassend geometrisch, omdat:
- alle zes golflengten ongeveer gelijk zijn;
- de golf met vrijwel constante snelheid rond de pool beweegt;
- de amplitude van de wervels begrensd blijft;
- turbulentie de symmetrie wel verstoort, maar niet vernietigt.
Daarmee is de zeshoek een mooi voorbeeld van zelforganisatie: uit een instabiele, turbulente stroming ontstaat spontaan een ordelijk en langdurig patroon. De geometrie wordt niet van buitenaf opgelegd, maar volgt uit de natuurkundige selectie van één dominante golfmodus.
Bron afbeelding: ESA
APOD De Dansende Aurorae van Saturnus
Wat drijft de aurora op Saturnus?
Uit onderzoek van het Keck-observatorium blijkt dat de aurora van Saturnus op een unieke manier wordt aangedreven: door kolossale wervelwinden in de eigen atmosfeer van de planeet. De winden sturen elektrische stromen de magnetosfeer in, wat een unieke wisselwerking tussen de planeetgassen en het magneetveld creëert. Daarnaast reageert Saturnus' poollicht (net als dat van de Aarde) sterk op de zonnewind.
Overeenkomsten poollicht Aarde en Saturnus:
- Op beide planeten wordt het poollicht primair aangedreven door de zonnewind, een stroom van geladen deeltjes (elektronen en protonen) die door de Zon wordt uitgestoten.
- Zowel de Aarde als Saturnus bezitten een sterk magnetisch veld. Dit veld vangt de geladen deeltjes op en buigt ze af richting de magnetische polen.
- Het lichtverschijnsel ontstaat op beide planeten in een ringvormig gebied rondom de polen, de zogeheten aurorale ovaal.
- Het licht ontstaat doordat de zonnedeeltjes met hoge snelheid botsen op gasatomen in de bovenste laag van de atmosfeer, die daardoor energie opnemen en vervolgens weer als licht uitstralen.
Verschillen poollicht Aarde en Saturnus
- Gassamenstelling Aarde: hoofdzakelijk stikstof en zuurstof. Op Saturnus is dat hoofdzakelijk waterstof.
- Lichtspectrum op Aarde: Zichtbaar licht (vooral groen, rood en paars).Op Saturnus is dat vooral ultraviolet (UV) licht en is dus onzichtbaar voor het menselijk oog.
- Interne invloeden op Aarde zijn volledig afhankelijk van de Zon en het aardmagnetisch veld. De invloeden op Saturnus worden aangedreven door krachtige planetaire winden in de eigen atmosfeer.
- Gedrag en duur op Aarde verandert snel en dynamisch tijdens geomagnetische stormen. Op Saturnus evolueren gedrag en duur veel langzamer en kan soms dagenlang stabiel blijven bestaan.
Het magnetische veld van Saturnus is bijna perfect in lijn met zijn rotatie-as. De dipoolveldlijnen, die de polen verbinden, komen voort uit een massieve, elektrisch geleidende kern van metallische waterstof, net als bij Jupiter.
Bron afbeelding: ResearchGate
Op bijna alle planeten staat de magnetische as schuin ten opzichte van de rotatie-as (bij de Aarde zo’n 11 graden, bij Jupiter 10 graden). Bij Saturnus is die afwijking echter minder dan 0,01 graad. Dit zorgt voor een wetenschappelijk raadsel:
Asymmetrie is volgens de dynamotheorie nodig om een magnetisch veld in stand te houden: zonder asymmetrie kan een roterend hemellichaam, zoals de Aarde of de Zon, geen stabiel en langdurig magnetisch veld genereren of in stand houden (bron: Wikipedia)
Wetenschappers denken nu dat het veld diep vanbinnen wél schuin staat, maar dat een dikke, stabiele laag van heliumregen in de buitenste mantel het veld als een soort filter symmetrisch maakt voordat het de buitenwereld bereikt.
Heliumregen op Saturnus is een bijzonder weersverschijnsel dat diep in de planeet plaatsvindt, waarbij vloeibaar helium uit een waterstofmengsel condenseert en als druppels naar de kern zakt.
Bron afbeelding: ScienceAlert
Ook op Jupiter valt in de kern heliumregen. Wetenschappelijk onderzoek toont aan dat de extreme druk en temperatuur diep in beide gasreuzen ervoor zorgen dat waterstof en helium zich scheiden, waardoor vloeibare heliumdruppels ontstaan die naar beneden vallen. Hoewel het fenomeen zich ook op Saturnus voordoet, is de heliumregen op Jupiter minder wijdverspreid omdat Jupiter van binnen heter is, waardoor de stoffen makkelijker gemengd blijven.
Normaal mengen waterstof en helium zich diep in de planeet, maar door de lagere temperatuur van Saturnus gebeurt er iets bijzonders: het helium scheidt zich af en vormt druppels, net als olie in water. Deze zwaardere druppels vallen als een constante heliumregen door de lichtere laag van vloeibaar metallisch waterstof naar de kern. Zo ontstaat een stabiele, gelaagde zone die gelijkmatig met de planeet meedraait.
Bron afbeelding: Sky&Telesope Magazine
HIL voor de Helium Insoluble Layer (de helium-onoplosbare laag). Dit is de specifieke zone waar het natuurkundige proces van de heliumregen plaatsvindt. Recent wetenschappelijk onderzoek suggereert dat deze stabiele HIL-laag de warmtestromen blokkeert. Dit beïnvloedt de 'dynamo' van de planeet en verklaart de unieke, symmetrische vorm van Saturnus' magnetische veld.
Op Saturnus regent het soms diamanten. Verteld door Brian Cox.
Er zijn wetenschappelijke modellen die voorspellen dat het diep in de atmosfeer van Saturnus letterlijk diamanten regent. Dit fenomeen draait inderdaad volledig om het samendrukken van koolstof.
- In de enorme onweersbuien van Saturnus splijt de intense energie van bliksems methaangas (CH4) in de atmosfeer uit elkaar. Hierbij komt puur koolstof vrij in de vorm van roet.
- Dit roet zinkt door de zwaartekracht naar beneden. Naarmate het dieper zakt, stijgen de druk en temperatuur snel, waardoor het roet eerst wordt samengeperst tot grafiet (het materiaal in een potlood).
- Ongeveer 6.000 kilometer dieper wordt de druk zó gigantisch hoog dat de koolstofatomen in een kristalstructuur worden gedwongen. Het grafiet verandert in solide diamanten, die als een soort edelsteen-hagelbuien verder naar beneden vallen.
Over de indrukwekkende ringen en manen van Saturnus kom ik in m'n volgende Verdieping op terug, evenals de ringen en manen van Jupiter.
Uranus en Neptunus de twee ijsreuzen
Beide planeten zijn vier keer zo groot als de aarde, met een temperatuur van zo’n -210 graden.
Uranus heeft een extreem kalme, blauwgroene atmosfeer van waterstof, helium en methaan. Water, ammoniak en methaan vormen samen de gigantische binnenmantel van de planeet. Overigens is het water op deze planeet geen gewoon water, maar 'superkritisch en superionisch' waar ik later op terugkom.
Het unieke aan Uranus is zijn gekantelde rotatie-as (98 graden), waardoor de polen tientallen jaren achtereen naar de Zon zijn gericht, wat zorgt voor zeer bizarre, langdurige seizoenswisselingen.
Opvallend en onverwacht zijn de ringen van Uranus. De planeet heeft namelijk 13 smalle, donkere ringen, die vermoedelijk bestaan uit gitzwart organisch materiaal en ijs.
Neptunus heeft ook een paar ringen en eveneens een atmosfeer die voornamelijk bestaat uit waterstof, helium en een beetje methaan.
Net zoals Saturnus en Jupiter veel overeenkomsten hebben, geldt dat ook voor Neptunus en Uranus. Deze twee ijsreuzen zijn qua grootte, samenstelling en massa bijna identiek. Zelfs hun rotatietijd is vergelijkbaar en beide hebben een blauwe kleur. Neptunus heeft echter een heldere hemelsblauwe tint, terwijl Uranus meer vaag grijsblauw oogt. Het opvallendste verschil is dat de as van Uranus bijna 90° gekanteld staat ten opzichte van het eclipticavlak, terwijl Neptunus netjes rechtop blijft.
Seizoenen
De seizoenen op beide planeten duren door hun enorme afstand tot de Zon decennialang, maar ze ontstaan op een heel andere manier:
- Uranus' bizarre kanteling: Uranus heeft de meest extreme seizoenen van het zonnestelsel omdat de planeet letterlijk op zijn zijkant rolt. Tijdens de zomer staat één pool 21 jaar lang onafgebroken in het zonlicht, terwijl de andere pool in totale, ijskoude duisternis is gehuld. Dit zorgt voor een gigantische verschuiving van de "witte poolkap" zodra het seizoenswisseling plaatsvindt.
- Neptunus' trage seizoenen: Neptunus is qua kanteling vergelijkbaar met de Aarde, maar omdat een rondje om de Zon 165 jaar duurt, duurt elk seizoen daar maar liefst 41 jaar. Astronomen zien hierdoor pas sinds kort subtiele temperatuurveranderingen en verschuivingen in wolkenbanden over de decennia heen
De ringen van Uranus en Neptunus
De ringenstelsels van Uranus en Neptunus zijn veel jonger, donkerder en dynamischer dan de glinsterende ringen van Saturnus. Wetenschappers zijn er inmiddels over uit dat deze ringen niet tegelijk met de planeten zelf zijn ontstaan, maar het resultaat zijn van kosmische botsingen en getijdenkrachten.
Miljarden jaren geleden hadden Uranus en Neptunus waarschijnlijk veel meer kleine manen die dicht bij elkaar stonden. Door zwaartekrachtstoringen werden hun banen instabiel. Ze botsten met enorme snelheden op elkaar of werden getroffen door passerende kometen. De inslagen verpulverden de manen volledig, waardoor een wolk van puin, rotsen en stof rond de planeet achterbleef die zich uitstrekte tot ringen.
- Getijdenkrachten: Wanneer een maan door zwaartekrachtinteractie te dicht bij de planeet in de buurt komt, passeert hij een kritieke grens: de Rochelimiet. Vanaf dat punt is de zwaartekracht van de planeet zó sterk, dat de voorkant van de maan harder wordt aangetrokken dan de achterkant. De maan wordt letterlijk uit elkaar getrokken en verkruimelt tot ringmateriaal.
Magnetosfeer Uranus
De magnetosfeer is een direct gevolg van het magnetisch veld. In tegenstelling tot de Aarde of Jupiter, waar het magneetveld netjes parallel loopt aan de rotatie-as, gedraagt de magnetosfeer van Uranus zich nogal vreemd. Deze opent en sluit zich namelijk bij elke rotatie (ongeveer elke 17 uur).
Magnetosfeer Neptunus
De vorm en het gedrag van een magnetosfeer worden bepaald door de interactie tussen het interne magneetveld en de zonnewind. Door de bijzondere eigenschappen van Neptunus is dit gedrag behoorlijk chaotisch.
'Aurora' past taalkundig perfect bij de ijsreuzen. Het betekent 'licht' en 'glans' en heeft eigenlijk niets te maken met de Noord- of Zuidpool. In de sterrenkunde verwijst "aurora" puur naar het natuurkundige proces waarbij geladen deeltjes botsen met gassen in een atmosfeer, waardoor die gassen gaan gloeien. Waar dat licht verschijnt, maakt voor de definitie eigenlijk niet uit.
Op Uranus en Neptunus zorgt de bijzondere ligging van het magnetische centrum voor aurora’s die heel anders zijn dan op Aarde. Hier verschijnen ze in nette, symmetrische ringen rond de geografische polen, omdat geladen deeltjes van de Zon door ons stabiele magneetveld keurig naar de polen worden geleid. Op Aarde zijn de poollichten op de noord- en zuidpool vaak elkaars spiegelbeeld. Bij de twee ijsreuzen gaat dit echter heel anders: de magnetische velden aan de ene kant zijn veel sterker dan aan de andere kant. Daardoor is de aurora aan één kant veel feller en groter dan aan de overzijde. En in plaats van de langgerekte, sierlijke gordijnen van licht die we van de Aarde kennen, zien de aurora's er op Neptunus en Uranus eerder uit als zwakke, diffuse vlekken of flitsen die constant van vorm en intensiteit veranderen.
Een kunstenaarsweergave van de aurora in het infrarood geprojecteerd op een foto van Uranus met de Hubble-ruimtetelescoop.
Bron: Popular science / NASA, ESA en M. Showalter (SETI Institute) voor de achtergrondafbeelding van Uranus
Bron: NASA
In tegenstelling tot de Aarde, waar het poollicht groen en rood kleurt door zuurstof, stralen de aurora's op Uranus en Neptunus voornamelijk in het onzichtbare ultraviolette (UV) en infrarode (IR) spectrum.
- Wat wij zouden zien: Mensen zouden de aurora's waarschijnlijk amper kunnen waarnemen. Als ze al zichtbaar zijn, uiten ze zich als een zeer zwakke, bleek-rode of roze gloed. Dit komt omdat de atmosferen van deze ijsreuzen voornamelijk uit waterstof en helium bestaan. Wanneer waterstofatomen worden geraakt door geladen deeltjes, zenden ze licht uit in specifieke waterstoflijnen (zoals H-alpha), wat roodachtig is
- Wat telescopen zien: Omdat het UV-licht voor ons onzichtbaar is, maken ruimtetelescopen zoals Hubble en de James Webb-telescoop (JWST) beelden met speciale filters. Op deze wetenschappelijke foto's worden de aurora's vaak weergegeven in heldere cyaanblauwe of witte tinten om ze contrastrijk te maken tegenover de planeet.
De kleurrijke levens van de buitenste planeten
The Colorful Lives of the Outer Planets
- De atmosferische kenmerken van Uranus en Neptunus onthullen een bandstructuur van wolken en nevels die parallel aan de evenaar zijn uitgelijnd. Daarnaast zijn er enkele losse wolkenformaties die fel oranje of rood oplichten. Deze kleuren ontstaan door methaanabsorptie in het rode deel van het spectrum. Methaan is, na waterstof en helium die beide transparant zijn, het derde meest voorkomende gas in hun atmosferen. De kleuren in de banden weerspiegelen variaties in hoogte en dikte van nevels en wolken, en helpen wetenschappers om op afstand de hoogte van wolken te bepalen.
En dan zouden er ook nog 'verborgen oceanen' op Uranus en Neptunus zijn die verantwoordelijk zijn voor de unieke magneetvelden. In tegenstelling tot de Aarde — waar het magneetveld ontstaat in een diepe, stabiele kern van vloeibaar ijzer — bevindt de bron zich bij deze twee ijsplaneten in een ondiepe, vloeibare mantel van water, ammoniak en methaan onder extreme druk. Dat er sprake is van 'verborgen oceanen' is een manier waarop wetenschappers hierover praten.
Wat het werkelijk betekent:
Het beschrijft de fysieke toestand van een laag. Het is geen oceaan zoals de Atlantische oceaan, maar een gigantische, dikke mantel die qua massa wel tientallen keren groter is dan alle oceanen op Aarde samen. Dit water is superkritisch d.w.z. dat door de extreme hitte en druk, de grens tussen damp en vloeistof verdwenen is. Het heeft de dichtheid van water, maar stroomt zo makkelijk als een gas. Superkritisch water betekent dat het gaat om een unieke toestand van de vloeistof, zowel vloeibaar als gasachtig.
- Wanneer je door de waterstof- en heliumwolken van Uranus of Neptunus naar beneden zou dalen, stijgen de temperatuur en de druk snel. Hier tref je dit superkritisch water aan.
- Zak je nog duizenden kilometers dieper, dan bereikt de druk de grens van 1 miljoen bar. Hier transformeert de superkritische vloeistof in superionisch water. Dit ontstaat pas bij een druk vanaf 1 miljoen bar en temperaturen van duizenden graden
Het genereren van magnetische velden
Hoewel de temperatuur oploopt tot wel 2.000 à 5.000 graden Celsius, zorgt de verpletterende druk ervoor dat de zuurstofatomen vastklikken in een permanent, kristallijn rooster. Het is dus letterlijk een massieve, gloeiende ijslaag die de kern van de planeet omringt. Terwijl het zuurstofrooster stilstaat, breken de waterstofionen (protonen) los en razen als een vloeistof door het ijs heen.
Bron afbeelding: SciTechDaily
In deze visualisatie van superionisch water (de hete, zwarte ijsfase diep in ijsreuzen zoals Neptunus en Uranus) gedragen de twee elementen van water (H₂O) zich heel verschillend.
- Zuurstofatomen vormen het vaste, kristallijne rooster dat te zien is in de blauwe, gestructureerde bolvormige schil.
- De waterstofionen, de structuurtjes in de ruimtes ertussen, zijn in deze extreme fase vloeibaar geworden. Ze stromen, bewegen en "zweven" vrijelijk rond binnen de holtes van het blauwe zuurstofrooster.
Vrij bewegende waterstofionen geleiden elektriciteit als een metaal, wat ongebruikelijke en complexe magnetische velden kan genereren.
Zowel Uranus als Neptunus genereren hun magnetische velden op exact dezelfde, ongebruikelijke manier. Het grote geheim achter hun vreemde magnetisme is dat de dynamo (de motor die het veld opwekt) niet in de kern zit, maar is verschoven naar de vloeibare en superkritische lagen daarboven.
Het magnetische veld van Neptunus gedraagt zich onvoorspelbaar en is asymmetrisch. Het kleine stipje in het midden is Neptunus zelf, en de kleur komt overeen met de sterkte van het magnetische veld.
Bron beide afbeeldingen: Urania Volkssterrenwacht
Omdat Uranus op zijn zijkant draait en zijn magnetisch veld bijna haaks staat op die draairichting, raakt het door de zonnewind voortdurend flink in de war. Dit magnetisch veld wordt niet in de kern opgewekt, maar pas halverwege naar het oppervlak. Daarbij staat het ook nog eens onder een hoek van 60° ten opzichte van de omwentelingsas.