De Dynamiek van de Jupiterwinden en Stormsystemen: Het Grote Rode Vlek en de Zuidelijke Tropische Storingen

De roterende winden aan de rand van de Grote Rode Vlek (GRS) op Jupiter, aan de lichtere buitenkant of "kraag", bereiken snelheden van ongeveer 100 m/s. De donkerdere binnenste delen van de Vlek worden gedomineerd door een netwerk van kleine convectiecellen. De afbuiging van de winden aan de zijkanten heeft de scherp gesculpteerde contouren van de GRS gecreëerd, die oorspronkelijk ovaal waren, maar inmiddels bijna rond zijn geworden. De kleur van de GRS, wanneer deze zichtbaar is, wordt geproduceerd door elementair fosfor, dat ontstaat door een reeks chemische reacties van fosfine, dat in sporenhoeveelheden in de bovenste atmosfeer van de planeet aanwezig is.

Het werk van Arthur Stanley Williams, een amateur-astronoom, speelde een cruciale rol in de gedetailleerde studie van de circulatiepatronen op Jupiter. Williams maakte gebruik van een relatief eenvoudige 6½-inch reflector en registreerde de tijd dat verschillende kenmerken van de planeet de centrale meridiaan passeerden. Door meerdere passages te volgen, slaagde hij erin de rotatieperiode van de kenmerken vast te stellen. In 1896 publiceerde hij zijn baanbrekende werk 'On the Drift of Material in Different Latitudes of Jupiter', waarin hij negen verschillende winden identificeerde. Williams werd beschouwd als de eerste grote amateur-observator van Jupiter en zijn bijdragen zijn van onschatbare waarde gebleven, zelfs in het moderne tijdperk van ruimteverkenning.

Op basis van Williams' werk breidden andere astronomen, zoals Theodore Evelyn Reece Phillips, de studie uit. Tussen 1901 en 1934 leidde Phillips de Jupiter Sectie van de British Astronomical Association (BAA), waar hij meer dan 30.000 observaties maakte en nauwkeurige tekeningen van de planeet produceerde. Zijn werk en tekeningen blijven een van de mooiste en meest gedetailleerde documenten van Jupiter's kenmerken, gecombineerd met een wetenschappelijke nauwkeurigheid die het tot een waardevolle bron maakt voor hedendaagse astronomen.

Tegenwoordig zijn er geen minder dan negentien verschillende windstromen tussen 60° noorder- en zuiderbreedte geïdentificeerd. De meeste van deze stromingen vertonen een ruw verband met de donkere banden en lichte zones op Jupiter, waarbij smalle jetstreams de grenzen tussen de banden en zones markeren. De Equatoriale Stroming, die de meest krachtige is, is ‘prograde’ en verplaatst zich in oostelijke richting ten opzichte van de vaste kern van de planeet. De snelste winden van de planeet worden aangetroffen in twee smalle jetstreams in dit gebied, op ongeveer 6–7° noorden en zuiden van de evenaar, met snelheden tot wel 170 m/s.

In het noordelijk halfrond neemt de snelheid van de winden af naarmate men verder van de Evenaar beweegt, totdat ze bij ongeveer 15° N omkeren en westwaarts beginnen te waaien met snelheden tussen de 25 en 70 m/s. Bij 20° N wordt een andere smalle oostwaartse jet ontdekt, met snelheden die meer dan 150 m/s bereiken. In het zuidelijk halfrond verschillen de locaties en snelheden van de jets enigszins van die in het noorden, bijvoorbeeld de westwaartse jet bij 17,5° S.

De Zuidelijke Tropische Stoornis (STrD), waarvan de geschiedenis teruggaat tot 1900-1901, is een ander opmerkelijk stormgebied op Jupiter. In dat jaar ontdekte Percy B. Molesworth, een amateur-astronoom uit het Britse leger, een reeks donkere bulten die zich uitstrekten van de zuidelijke rand van de SEB (Zuid-Evenaar Band) naar de Zuid-Tropische Zone (STrZ). Een van deze bulten ontwikkelde zich later tot de STrD, die later belangrijk werd voor het begrijpen van de stormsystemen op Jupiter.

De geschiedenis van de Zuidelijke Tropische Storingen wordt gekarakteriseerd door de vorming van witte ovale vlekken, die kleiner zijn dan de GRS, maar qua levensduur en dynamiek vergelijkbare stormsystemen vertonen. De eerste waarnemingen van dergelijke systemen dateren uit 1939, toen de STrB (Zuid-Tropische Band) helderder was dan normaal en drie bruine segmenten vertoonde. De ontdekking van deze vlekken en hun draaiingstijden van ongeveer vijf dagen heeft wetenschappers veel geleerd over de dynamiek van de stormen op Jupiter.

Naast de dynamiek van de winden en de stormsystemen is het belangrijk te begrijpen dat de turbulentie in de atmosfeer van Jupiter niet alleen door de aanwezigheid van stormen wordt veroorzaakt. De constante beweging van de luchtmassa's, de complexiteit van de chemische reacties in de atmosfeer en de interacties tussen verschillende stormsystemen spelen allemaal een rol in het evolueren van het klimaat en de eigenschappen van de planeet.

Hoe het ringenstelsel van Neptunus onze kennis over de planeten vergroot

Het ringenstelsel van Neptunus is een fascinerend object in ons zonnestelsel, zowel vanwege zijn complexiteit als zijn verwantschap met dat van andere grote gas- en ijsreuzen zoals Uranus. In tegenstelling tot de indrukwekkende ringen van Saturnus, die uit grote deeltjes bestaan en met het blote oog zichtbaar zijn, zijn de ringen van Neptunus subtieler en minder opvallend. Ze bestaan uit een mengsel van stof en kleinere deeltjes, waarvan sommige mogelijk overblijfselen zijn van een kleine maan die ooit werd vernietigd.

Hoewel de ringen van Neptunus relatief zwak zijn in vergelijking met die van Saturnus, zijn ze nog steeds van groot belang voor de wetenschappelijke gemeenschap. De ontdekking van de zogenaamde ringenboog, waaronder Liberté, Egalité en Fraternité, geeft ons aanwijzingen over de dynamica van ringenystemen. Er wordt aangenomen dat de deeltjes in deze ringen fragmenten zijn van een kleine maan die miljoenen jaren geleden werd verwoest. Deze fragmenten blijven in hun posities vastzitten en worden in de loop van de tijd afgebroken door meteoritische inslagen, waardoor het materiaal in de ringen uiteindelijk tot fijn stof wordt vermaalt.

Naast de drie hoofdassen van Neptunus zijn er ook bredere stofbanden die door de Voyager 2-sonde zijn geïdentificeerd. Deze stofbanden reiken tot binnen 13.000 kilometer van de bovenste wolken van de planeet. De ringen bevatten voldoende materiaal om een maan van ongeveer 5 kilometer in diameter te vormen. Dit is in schril contrast met de spectaculaire ringen van Saturnus, die veel massiever zijn en een complexer deeltjesveld vertonen.

Recent wetenschappelijk onderzoek, zoals de observatie door de James Webb Ruimtetelescoop (JWST) in september 2022, heeft onze kennis van de ringen van Neptunus verder verdiept. Deze waarnemingen onthulden dat Neptunus in het infrarood een spookachtige witte verschijning heeft, een effect dat wordt veroorzaakt door de absorptie van rood en infrarood licht door het methaan in de atmosfeer van de planeet. Dit contrast met het eerder bekende heldere blauwe uiterlijk van Neptunus, dat in werkelijkheid werd versterkt door visuele bewerkingen, benadrukt hoe de technologie ons helpt de werkelijke eigenschappen van deze verre wereld beter te begrijpen.

Neptunus en Uranus worden vaak samen onderzocht omdat ze veel overeenkomsten vertonen. Beiden zijn zogenaamde "ijsreuzen" en verschillen duidelijk van de "gasreuzen" zoals Jupiter en Saturnus. Hun atmosferen bevatten grote hoeveelheden water, ammoniak en methaan, maar het methaan in de atmosfeer van Uranus reflecteert meer groen licht dan dat van Neptunus. Dit resulteert in de groene tint die Uranus vaak vertoont, vooral in de zomer- en winterseizoenen. De eigenschappen van de atmosferen van deze planeten geven belangrijke aanwijzingen over de dynamica van de atmosfeer van gas- en ijsreuzen in het algemeen.

Wat betreft hun inwendige structuur, bestaat het bovenste derde deel van zowel Uranus als Neptunus uit vloeibare stoffen, terwijl het diepere interieur vaste superionische ijskristallen bevat. Dit type ijs is bijzonder omdat de zuurstofatomen een rooster vormen waarin waterstofkernen vrij kunnen bewegen. Dit heeft implicaties voor het magnetische veld van de planeten, wat opnieuw aantoont hoe belangrijk het is om deze extreem verre werelden beter te begrijpen.

De magnetische velden van zowel Uranus als Neptunus verschillen sterk van die van de andere gasreuzen, wat te maken heeft met hun sterk gekantelde magnetische assen. Uranus heeft een magnetische as die met 97,8 graden is gekanteld ten opzichte van zijn rotatie-as, terwijl Neptunus een veel kleinere kanteling vertoont, van slechts 29,5 graden. Dit verschil in kanteling kan ons belangrijke informatie verschaffen over de interne dynamica van de planeten.

Het is van groot belang om de verschillen tussen de gasreuzen (Jupiter en Saturnus) en de ijsreuzen (Uranus en Neptunus) te begrijpen. Dit helpt niet alleen bij het interpreteren van de fysieke en atmosferische kenmerken van deze planeten, maar het is ook cruciaal voor de studie van exoplaneten. Veel van de exoplaneten die we momenteel ontdekken, lijken sterk op de gas- en ijsreuzen in ons eigen zonnestelsel, en daarom is het van belang om deze objecten te vergelijken en te bestuderen.

De Kuipergordel, waar Pluto zich bevindt, speelt ook een belangrijke rol in het begrijpen van de buitenste regionen van ons zonnestelsel. Pluto, ooit beschouwd als de negende planeet, wordt nu gezien als het grootste object in de Kuipergordel, een schijf van ijzige objecten die de overblijfselen van het vroege zonnestelsel bevat. De ringen van Neptunus en de nabijgelegen objecten in de Kuipergordel geven ons een dieper inzicht in de materie die zich in deze verre regio’s van het zonnestelsel bevindt.