Instabilität von Jetstreams erklärt

Sternengeschichten Folge 694: Das Sechseck am Saturn

Wenn wir die Erde vom Weltall aus betrachten, können wir das Wetter sehen. Oder besser gesagt: Wir sehen die großräumigen Wolkenstrukturen; die Wirbel der Hoch- und Tiefdruckgebiete über den Meeren und Kontinenten. Wenn wir auf andere Planeten schauen, dann sehen wir dort aber nur die Wolken, weil es dort keine Meere und Kontinente gibt. Zum Beispiel auf den Gasriesen Jupiter und Saturn. Da gibt es keinen festen Boden unter den Wolken; dort gibt es keine Geografie, nur Meteorologie. Und die Wolkenstrukturen können überraschend anders sein. Und auf dem Saturn finden wir ein ganz besonders überraschendes Beispiel. Der Nordpol des Planeten ist von einem riesigen Sechseck aus Wolken umgeben.

Jede der sechs Seiten ist circa 14.500 Kilometer lang, also um gut 2000 Kilometer länger als der Durchmesser der Erde. Entdeckt wurde es im Jahr 1981, als die beiden Voyager-Raumsonden am zweitgrößten Planeten des Sonnensystems vorbei geflogen sind. Genauer gesagt: Es wurde erst 1987 entdeckt, als der amerikanische Astronom David Godfrey die Bilder der Raumsonden zusammengesetzt hat. Davor hat man sich bei der Analyse der Daten vor allem auf die mittleren Breiten und die Äquatorregion des Saturn konzentriert. Godfrey wollte aber auch wissen, wie die Polarregionen des Gasriesen aussehen. Da die Aufnahmen der Voyager-Sonden durch den Blickwinkel auf die Pole verzerrt waren, musste Godfrey sie erst entsprechend bearbeiten und zusammensetzen. Aber dann hat er um den Nordpol herum eine klar erkennbar sechseckige Struktur aus Wolken gesehen. 2004 ist dann die Raumsonde Cassini im Saturnsystem angekommen und hat 2006 auch das Sechseck beobachtet. Es war immer noch da und es ist geblieben, solange Cassini in der Lage war, es zu beobachten.

Dass Wolken komische Formen haben, ist erstmal nicht weiter außergewöhnlich. Aber ein Sechseck, das fast 30.000 Kilometer breit ist: Das IST außergewöhnlich. Was geht da ab? Die Details sind komplex und noch nicht letztgültig verstanden. Aber wir können auf jeden Fall einmal festhalten, dass der Saturn sehr schnell um seine eigene Achse rotiert. Die Erde braucht dafür bekanntlich einen Tag; der Saturn schafft eine Umdrehung in nur 10,5 Stunden. Dadurch bilden sich dort auch sehr schnelle Winde aus; ein wenig so wie die Jetstreams auf der Erde. Dieses Phänomen wäre eine eigene Folge wert, aber kurz gesagt, sind das enorm starke Winde, die zwischen 40 und 60 Grad nördlicher Breite (und entsprechend auf der Südhalbkugel) einmal um die Erde wehen. Sie tun das mit bis zu 650 Kilometer pro Stunde und in circa 10 Kilometer Höhe, was gut ist, denn in der Nähe des Erdbodens wäre so ein starker Wind etwas unangenehm. Sie entstehen, weil die Erde ungleichmäßig stark erwärmt wird. Am Äquator ist es wärmer als an den Polen und die Temperatur der Luftschichten dort ist ebenfalls unterschiedlich. Dadurch ist auch die Dichte der kälteren Luft an den Polen geringer als die der warmen Luftmassen am Äquator. Vereinfacht gesagt bedeutet das: Am Äquator reicht die relevante Luftschicht weit nach oben, am Pol nicht so weit und die Atmosphäre will diesen Druckunterschied ausgleichen. Die Luft strömt vom Äquator in Richtung Pol, und wird dabei durch die Rotation der Erde abgelenkt. So wird aus einer Nord-Süd-Strömung eine in Richtung Ost-West. Wie gesagt, das ist alles sehr stark vereinfacht dargestellt; auf der Erde muss man außerdem noch berücksichtigen, dass da jede Menge Berge und andere geografische Phänomene existieren, die die Bewegung der Luftmassen beeinflussen. Auf dem Saturn gibt es so etwas aber nicht. Und seine Rotation ist viel schneller. Die Luft kann sich ungehindert bewegen und tut das sehr schnell. So bilden sich die starken Jetstreams aus, die wir in Form von Wolkenbändern sehen können, die sich um den Planeten legen.

Aber auch wenn der Saturn keine Berge hat, ist so ein Jetstream nicht völlig stabil. Zum Beispiel, wenn die Windgeschwindigkeit an der Innenseite eines Windbandes größer oder kleiner ist als an der Außenseite. Und wenn das Windband breit genug ist, dann wird genau das passieren. Wir haben es hier wieder mit der Rotation des Planeten zu tun. Bleiben wir dafür zuerst wieder auf der Erde. Ein Mensch, der am Äquator steht, legt dort durch die Erdrotation in 24 Stunden knapp 40.000 Kilometer zurück, denn das ist der Umfang der Erde am Äquator. Der Mensch wird davon nichts spüren, aber er dreht sich mit der Erde mit und zwar mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1700 Kilometer pro Stunde. Ein anderer Mensch, der exakt am Nordpol steht, dreht sich in 24 Stunden ebenfalls, aber nur einmal um seine Achse. Im Vergleich zu der Person am Äquator bewegt er sich aber nicht; er steht quasi still. Und wer sich irgendwo zwischen Pol und Äquator befindet, wird von der Erde mit einer anderen Geschwindigkeit herumgetragen, die um so größer ist, je näher man sich am Äquator befindet. Das ist alles noch nicht weiter bemerkenswert, aber es wird relevant, wenn wir uns Luftmassen anschauen, die sich in Nord-Süd-Richtung bewegen. Luft am Äquator startet dort mit den vorhin erwähnten 1700 km/h. Wenn sie dann nach Norden strömt, bewegt sich die Erde unter der Luft aber langsamer. Oder anders gesagt: Luft die sich bewegt, wird immer in Richtung Osten abgelenkt, weil die Erde nach Osten rotiert. Das führt einerseits zu den bekannten Wirbeln der Hoch- und Tiefdruckgebiete, die genau aus diesem Grund Wirbel sind. Es führt aber auch dazu, dass der Jetstream instabil werden kann. Er kann quasi ein wenig zu wackeln anfangen. Auch hier sind die Details komplex, aber anstatt in einer perfekten Kreisbahn einmal um den Planeten herum kann ein Jetstream dadurch ein wenig mäandern, sich also in Wellen rundherum schlängeln. Solche Windstrukturen können instabil sein, oder aber nicht. Es kann sich - wieder vereinfacht ausgedrückt - so etwas wie eine stehende Welle bilden. Wenn der Jetstream gerade richtig hin und her schwingt, dann bildet sich ein Muster heraus, das quasi statisch ist. Wie genau so ein Muster aussieht, hängt von jeder Menge äußeren Bedingungen ab. Aber auf dem Saturn scheint es gerade so zu passen, dass das Windband sechs Ausbeulungen haben muss. Wir haben also immer noch eine atmosphärische Strömung, die sich einmal um den Nordpol des Planeten herum windet, das aber nicht entlang einer gerade Linie tut, sondern mal weiter nach außen läuft, dann wieder nach innen, dann wieder nach außen, und so weiter, bis sie am Ende wieder genau auf sich selbst trifft. Wir haben also eine wellenförmige Strömung, mit sechs Wellenbergen und -tälern und wenn sich so eine Welle einmal im Kreis um einen Planeten herum legt, dann sieht das aus wie ein Sechseck.

Natürlich ist es kein exaktes Sechseck. Dann müsste die Strömung ja alle 14.500 Kilometer in einem Winkel von 60 Grad abknicken, und das macht sie nicht. Der Jetstream um den Saturn-Nordpol ist eine ringförmige Strömung, die sechsmal regelmäßig ausgelenkt wird. Es sieht einem Sechseck nur sehr, sehr ähnlich und unser Gehirn ist sehr gut darin, Muster zu erkennen und zu ergänzen und gibt dem Wolkenmuster dort vermutlich auch noch eine Perfektion, die in echt nicht existiert.

So oder so: Die fast sechseckige Luftströmung auf dem Saturn ist beeindruckend. Die Cassini-Sonde hat zum Beispiel beobachtet, dass es zwischen 2013 und 2017 die Farbe geändert hat. 2013 war es noch deutlich bläulich; danach ist es gelb-bräunlich geworden. Der Grund hat vermutlich mit den Jahreszeiten auf dem Saturn zu tun. Die sind zwar nicht vergleichbar mit denen auf der Erde, aber auch hier kommt es darauf an, wie die Achse des Saturn gerade in Bezug auf die Sonne geneigt ist. Mal trifft Sonnenlicht auf den Nordpol und mal nicht, und wenn die Sonne auf die Gase der Atmosphäre dort scheint, kann das chemische Reaktionen und eine Art von Dunst erzeugen, der die Farbänderung verursacht. Und weil der Saturn für eine Runde um die Sonne gut 30 Jahre braucht, ist so eine Jahreszeit dort auch 7,5 Jahre lang. Zeit genug also, um sich ordentlich in der Atmosphäre auszuwirken.

Die Jahreszeiten sind also in der Lage, die Farbe des Sechsecks zu verändern. Das Sechseck selbst aber ist stabil und warum es schon so lange so stabil ist, ist immer noch unklar. Wir wissen auch nicht, was in den tieferen Schichten der Saturnatmosphäre los ist; wir sehen ja nur die äußeren Bereiche. Vielleicht gibt es weiter unten auch noch Sechsecke, die man von außen nicht sehen kann. Wir wissen auch nicht, warum es gerade ein Sechseck ist, das wir dort sehen. Im Prinzip können sich auch andere stehende Wellen ausbilden, die dann wie ein Dreieck, ein Viereck, ein Fünfeck aussehen würden.

Wir haben zwar viel Erfahrung mit der Atmosphäre der Erde, aber die ist quasi nichts im Vergleich zu den gewaltigen Atmosphären von Planeten wie Jupiter und Saturn. Die können wir nur von außen beobachten und wir wissen nicht, was in den tausenden Kilometer dicken Schichten aus Gas wirklich passiert. Bis jetzt haben wir noch keine Raumsonde dorthinein geschickt. Beziehungsweise nicht so, dass wir wissenschaftlich viel daraus gelernt hätten. Als der Cassini-Sonde im Jahr 2017 der Treibstoff ausgegangen ist, hat man sie in die Atmosphäre gesteuert. Aber dort ist sie schon in den äußersten Schichten ziemlich schnell zerstört worden. Aber vielleicht bauen wir irgendwann eine Raumsonde, die in der Lage ist, die extremen Bedingungen dort zu überleben. Die den enormen Druck und die hohen Temperaturen aushalten und die gewaltigen Winde überstehen kann. Dann können wir in die Gaswirbel von Jupiter und Saturn hineinfliegen und verstehen, wie so etwas faszinierendes wie das Saturn-Sechseck entstehen kann.