Onweerswolken die diep in de atmosfeer van Jupiter zijn geworteld, beïnvloeden de witte zones en kleurrijke gordels van de planeet, verstoringen in hun stroom veroorzaken en zelfs hun kleur veranderen.

Dankzij gecoördineerde waarnemingen van de planeet in januari 2017 door zes op de grond gebaseerde optische en radiotelescopen en de Hubble-ruimtetelescoop van NASA, een universiteit van Californië, Berkeley, astronoom en haar collega's hebben de effecten van deze stormen kunnen volgen - zichtbaar als heldere pluimen boven de ammoniakijswolken van de planeet - op de gordels waarin ze verschijnen.

De waarnemingen zullen uiteindelijk planetaire wetenschappers helpen de complexe atmosferische dynamiek op Jupiter te begrijpen, die, met zijn Grote Rode Vlek en kleurrijk, laag cake-achtige banden, maken het een van de mooiste en meest veranderlijke van de gigantische gasplaneten in het zonnestelsel.

Een zo'n pluim werd opgemerkt door amateurastronoom Phil Miles in Australië, een paar dagen voor de eerste waarnemingen door de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in Chili, en foto's die een week later door Hubble werden gemaakt, toonden aan dat de pluim een ​​tweede pluim had voortgebracht en een stroomafwaartse storing in de wolkenband had achtergelaten, de zuidelijke equatoriale gordel. De stijgende pluimen wisselden vervolgens af met de krachtige winden van Jupiter, die de wolken vanaf hun punt van oorsprong naar het oosten en westen uitstrekten.

Drie maanden eerder, vier lichtpuntjes werden iets ten noorden van de Noord-Equatoriale Belt waargenomen. Hoewel die pluimen in 2017 waren verdwenen, de gordel was sindsdien noordwaarts verbreed, en de noordelijke rand was van kleur veranderd van wit naar oranjebruin.

"Als deze pluimen krachtig zijn en convectieve gebeurtenissen blijven hebben, ze kunnen na verloop van tijd een van deze hele bands verstoren, al kan het een paar maanden duren, " zei studieleider Imke de Pater, een UC Berkeley hoogleraar astronomie. "Met deze observaties we zien een pluim aan de gang en de nawerkingen van de anderen."

De analyse van de pluimen ondersteunt de theorie dat ze ongeveer 80 kilometer onder de wolkentoppen ontstaan ​​op een plaats die wordt gedomineerd door wolken van vloeibaar water. Een paper waarin de resultaten worden beschreven, is geaccepteerd voor publicatie in de Astronomisch Tijdschrift en staat nu online.

In de stratosfeer

De atmosfeer van Jupiter bestaat voornamelijk uit waterstof en helium, met sporen van methaan, ammoniak, waterstofsulfide en water. De bovenste wolkenlaag bestaat uit ammoniakijs en omvat de bruine gordels en witte zones die we met het blote oog zien. Onder deze buitenste wolkenlaag zit een laag vaste ammoniumhydrosulfidedeeltjes. Nog dieper, op ongeveer 80 kilometer onder het bovenste wolkendek, is een laag van vloeibare waterdruppels.

De onweerswolken die de Pater en haar team bestudeerden, verschijnen in de gordels en zones als heldere pluimen en gedragen zich net als de cumulonimbuswolken die voorafgaan aan onweersbuien op aarde. De onweerswolken van Jupiter, zoals die op aarde, gaan vaak gepaard met bliksem.

Optische waarnemingen kunnen niet onder de ammoniakwolken kijken, echter, dus de Pater en haar team hebben dieper gepeild met radiotelescopen, waaronder ALMA en ook de Very Large Array (VLA) in New Mexico, die wordt beheerd door het door de National Science Foundation gefinancierde National Radio Astronomy Observatory.

De eerste waarnemingen van Jupiter door de ALMA-array waren tussen 3 en 5 januari 2017, een paar dagen nadat een van deze heldere pluimen werd waargenomen door amateurastronomen in de zuidelijke equatoriale gordel van de planeet. Een week later, Hubble, de VLA, de Tweelingen, Keck en Subaru observatoria op Hawaï en de Very Large Telescope (VLT) in Chili hebben beelden vastgelegd in het zichtbare, radio- en midden-infraroodbereik.

De Pater combineerde de ALMA-radiowaarnemingen met de andere gegevens, specifiek gericht op de nieuw gebrouwen storm terwijl deze door de wolken van ammoniakijs op het bovendek sloeg.

De gegevens toonden aan dat deze onweerswolken zo hoog reikten als de tropopauze - het koudste deel van de atmosfeer - waar ze zich uitstrekken als de aambeeldvormige cumulonimbuswolken die bliksem en donder op aarde genereren.

"Onze ALMA-waarnemingen zijn de eerste die aantonen dat tijdens een energetische uitbarsting hoge concentraties ammoniakgas ontstaan, ' zei de Pater.

De waarnemingen zijn consistent met één theorie, genaamd vochtige convectie, over hoe deze pluimen ontstaan. Volgens deze theorie is convectie brengt een mengsel van ammoniak en waterdamp hoog genoeg - ongeveer 80 kilometer onder de wolkentoppen - om het water te condenseren tot vloeistofdruppels. Het condenserende water geeft warmte af die de wolk doet uitzetten en snel omhoog stuwt door andere wolkenlagen, uiteindelijk door de ammoniak-ijswolken aan de bovenkant van de atmosfeer breken.

Het momentum van de pluim draagt ​​de onderkoelde ammoniakwolk boven de bestaande ammoniak-ijswolken totdat de ammoniak bevriest, het creëren van een heldere, witte pluim die afsteekt tegen de kleurrijke banden die Jupiter omringen.

"We hebben echt geluk gehad met deze gegevens, omdat ze werden genomen een paar dagen nadat amateurastronomen een heldere pluim in de zuidelijke equatoriale gordel vonden, zei de Pater. Met ALMA, we observeerden de hele planeet en zagen die pluim, en aangezien ALMA onderzoek doet onder de wolkenlagen, we konden echt zien wat er onder de ammoniakwolken gebeurde."

Hubble nam een ​​week na ALMA foto's en legde twee afzonderlijke lichtpuntjes vast, wat suggereert dat de pluimen afkomstig zijn van dezelfde bron en naar het oosten worden gedragen door de straalstroom op grote hoogte, wat leidt tot de grote verstoringen die in de riem worden gezien.

Toevallig, drie maanden eerder, heldere pluimen waren waargenomen ten noorden van de noordelijke equatoriale gordel. De waarnemingen van januari 2017 toonden aan dat die riem in de breedte was uitgezet, en de band waar de pluimen voor het eerst waren gezien, veranderde van wit in oranje. De Pater vermoedt dat de noordwaartse expansie van de Noordequatoriale Belt een gevolg is van het terugvallen van gas uit de ammoniakarme pluimen in de diepere atmosfeer.

De Pater's collega en co-auteur Robert Sault van de Universiteit van Melbourne in Australië gebruikte speciale computersoftware om de ALMA-gegevens te analyseren om radiokaarten van het oppervlak te verkrijgen die vergelijkbaar zijn met foto's in zichtbaar licht die door Hubble zijn gemaakt.

"De rotatie van Jupiter om de 10 uur vervaagt meestal radiokaarten, omdat deze kaarten vele uren in beslag nemen om te observeren, ' zei Sault. 'Bovendien, vanwege de grote omvang van Jupiter, we moesten de planeet 'scannen', zodat we uiteindelijk een groot mozaïek konden maken. We hebben een techniek ontwikkeld om een ​​volledige kaart van de planeet te maken."