Atmosphärendynamik: Bänder, Jetstreams und Wirbel

Die Episode über heiße Jupiter, Supererden, Mini-Neptune und langweilig-spektakuläre Hydrodynamik

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In dieser Folge beginnen wir mit einem kurzen Blick auf erfolgreiche Neujahrsvorsätze und Handyverbote, bevor wir einen kurzen Ausflug in die Anfänge der Informatik und das Leben von Arianna Rosenbluth machen. Danach erzählt Jana von Planeten. Das klingt nicht sonderlich aufregend, aber ihr könnt euch sicher sein, dass es ausreichend spektakulär für mehr als nur eine Folge ist. Wir diskutieren Gasplaneten und Eisriesen; sechseckige Stürme auf dem Saturn, Supererden und Mini-Neptune und Wolken aus Wasser und Eisen.

Arianna Rosenbluth und die Frauen in der Informatik

Hörer Martin hat sich über die Folge über Numerik gefreut und uns auf Arianna W. Rosenbluth hingewiesen. Sie hat 1953 an den Grundlagen für den Metropolis-Hasting-Algorithmus gelegt, fast an den Olympischen Spielen teilgenommen und in Los Alamos gearbeitet.

Gasplaneten

Jana erzählt in dieser Folge etwas über Planeten. Das klingt simpel, ist aber alles andere als das. Auf den ersten Blick scheint die Einteilung einfach, zumindest im Sonnensystem: Gesteinsplaneten sind innen, Gasriesen außen. Doch sobald wir auch die Exoplaneten mitdenken, bricht diese Klassifikation schnell auseinander. Bis heute gibt es kein einziges, universelles Klassifikationsschema für Planeten, so wie wir es bei Sternen gewohnt sind. Stattdessen hantieren wir je nach Fragestellung mit Masse, Radius, Dichte, Temperatur, Atmosphäre, Bahnparametern, Albedo und vielem mehr. Das ist nicht nur akademische Haarspalterei, sondern bestimmt ganz konkret, was ein Planet physikalisch ist und wie er aussieht.

Ein Schlüsselmoment der Exoplanetenforschung war die Entdeckung von 51 Pegasi b, einem sogenannten heißen Jupiter, der viel näher an seinem Stern kreist, als es in unserem Sonnensystem überhaupt vorkommt. Diese Welt war nicht nur der Startschuss für die moderne Exoplanetenära, sondern auch ein Hinweis darauf, dass Migration im Planetensystem eine größere Rolle spielen kann, als wir lange dachten.

Da draußen gibt es außerdem jede Menge Arten von Planeten, die es bei uns nicht gibt. Zwischen den Massen von Erde und Neptun klafft in unserem Sonnensystem eine Lücke, aber anderswo gehören diese Planeten, oft als Mini-Neptune oder Supererden bezeichnet, zu den häufigsten Typen. Warum ausgerechnet wir keinen davon haben, ist eine dieser Fragen, die unser eigenes Sonnensystem plötzlich weniger "typisch" wirken lassen.

Aber wir bleiben bei den Gasriesen: Sie haben keine feste Oberfläche wie ein Gesteinsplanet, und selbst die Definition von "Oberfläche" ist oft nur eine Konvention, etwa bei einem bestimmten Druckniveau. Wir sprechen über die Zusammensetzung aus Wasserstoff und Helium, darüber, wie Dichte und Druck nach innen stark ansteigen, und warum in den Tiefen Zustände auftreten, die in unserem Alltag praktisch nicht vorkommen. Der metallische Wasserstoff ist dabei das Paradebeispiel: ein Materialzustand, der extrem leitfähig sein soll und eine Rolle für Magnetfelder spielen könnte, aber im Labor nur schwer stabil zu erzeugen ist.

Wir schauen auch auf das, was wir durch Missionen gelernt haben. Die Raumsonde Juno liefert Einblicke in Jupiter und seine Atmosphäre. Und Cassini hat uns den Saturn so detailliert gezeigt, dass sogar ein gigantisches, geometrisch erstaunlich regelmäßiges Wetterphänomen ikonisch geworden ist: das Sechseck am Nordpol. Gasplaneten sind absurd dynamisch, mit Jetstreams, Wirbeln, Stürmen und Gewittern, und wenn man sie verstehen will, muss man Hydrodynamik plötzlich ernst nehmen. Auch wenn sich das im Studium manchmal trocken anfühlt, ist es genau das Werkzeug, mit dem wir aus scheinbar ruhigen Planetenbildern physikalische Prozesse herauslesen können.

Auch die Entstehung der Gasriesen ist interessant: In der protoplanetaren Scheibe sollten sie typischerweise weiter außen entstehen, wo genügend Gas vorhanden ist. Das hat die Entdeckung der heißen Jupiter zunächst so irritierend gemacht. Heute ist die Idee der Migration ein zentraler Baustein, um solche Systeme zu erklären.

Zum Schluss besprechen wir die Klassifikation von Gasriesen nach ihrem Aussehen und ihrer Temperatur: die Sudarsky-Klassen. In unserem Sonnensystem fallen Jupiter und Saturn in die kälteste Klasse mit Ammoniakwolken, aber bei wärmeren Gasriesen können auch Wasserwolken dominieren, manche sind fast wolkenlos, und bei den heißesten Kandidaten werden sogar Silikat- und Eisenwolken relevant.

Eisriesen

Bevor wir die Folge beenden, klären wir noch ein Detail in der Begriffsfrage: Uranus und Neptun werden heute häufig nicht mehr als klassische Gasriesen, sondern als Eisriesen bezeichnet, weil ihre Zusammensetzung und Struktur sich deutlich von Jupiter und Saturn unterscheidet. Das klingt nach Haarspalterei, ergibt aber Sinn, wenn man die Unterschiede in chemischer Zusammensetzung, Farbe, Dynamik und Entstehung ernst nimmt.

Wir beenden die Folge mit einem Cliffhanger und der Frage, welche Rolle Supererden für die Suche nach außerirdischem Leben spielen. Das kommt aber erst in Teil II von Janas Geschichte über die Planeten.

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