Gasriesen: Jupiter und Saturn

Die beiden Wasserstoff-Helium-Riesen, die das äußere Sonnensystem dominieren, mit tiefen metallischen Wasserstoff-Interieurs, gebänderten Atmosphären und immensen Magnetosphären.

Definition

Gasriesen sind Planeten, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehen und keine feste Oberfläche haben; im Sonnensystem sind dies Jupiter und Saturn.

Scope

Dieses Thema behandelt Jupiter und Saturn: ihre Massenzusammensetzung und geschichteten Innenräume, einschließlich einer metallischen Wasserstoffregion, die Quelle ihrer inneren Wärme, die Dynamik ihrer gebänderten Atmosphären und langlebigen Stürme, ihre starken intrinsischen Magnetfelder und Magnetosphären sowie die prominenten Ringe des Saturn. Es stützt sich auf Vorbeiflug- und Orbiterdaten von Voyager, Galileo, Cassini und Juno sowie auf Labor- und theoretische Studien von Wasserstoff unter extremen Drücken.

Core questions

• Wie sind Jupiter und Saturn intern aufgebaut, und haben sie kompakte oder verdünnte Kerne?
• Warum strahlen sie mehr Wärme ab, als sie von der Sonne empfangen?
• Was erhält ihre gebänderten Jets und riesigen Stürme wie den Großen Roten Fleck aufrecht?
• Wie entstehen ihre starken Magnetfelder und Magnetosphären und wie interagieren sie mit ihren Monden?

Key theories

Metallischer Wasserstoff im Inneren

Bei den immensen Drücken im Inneren von Jupiter und Saturn wird Wasserstoff zu einer elektrisch leitenden metallischen Flüssigkeit, die die Dynamo-Region bildet, welche ihre starken Magnetfelder erzeugt.

Innere Wärme und Heliumregen

Die Riesen emittieren mehr Energie, als sie absorbieren, angetrieben durch gravitative Kontraktion und, im Falle des Saturns, durch die Trennung und das Absinken von Heliumtröpfchen, die zusätzliche Wärme freisetzen.

Atmosphärische Dynamik zonaler Jets

Schnelle Rotation und konvektiver Wärmefluss organisieren die Atmosphären in abwechselnde Ost-West-Jets und Bänder, innerhalb derer Wirbel wie der Große Rote Fleck über Jahrhunderte bestehen bleiben.

Mechanisms

Die Eigengravitation komprimiert Wasserstoff und Helium, bis Wasserstoff metallisch und leitfähig wird, was einen Dynamo und ein starkes Magnetfeld antreibt. Langsame Kontraktion und Heliumdifferenzierung liefern innere Wärme, die zusammen mit der Rotation die gebänderte Konvektion an der Oberfläche antreibt. Magnetosphärische Wechselwirkungen mit Monden erzeugen Polarlichter und intensive Strahlungsgürtel.

Clinical relevance

Jupiter und Saturn sind die am besten untersuchten Riesenplaneten und dienen als Vorlagen für die Interpretation von Riesen-Exoplaneten, während ihre Gravitation die dynamische Geschichte des gesamten Sonnensystems prägte.

History

Die teleskopische Beobachtung der Jupiterbänder und des Großen Roten Flecks reicht Jahrhunderte zurück, doch das moderne Verständnis entstand durch die Pioneer- und Voyager-Vorbeiflüge, den Galileo-Orbiter und die Atmosphärensonde bei Jupiter, den Cassini-Orbiter bei Saturn und die Juno-Mission, deren präzise Gravitations- und Magnetfeldmessungen die Modelle des tiefen Jupiterinneren neu gestaltet haben.

Debates

Natur des Jupiterkerns

Juno-Gravitationsdaten deuten auf einen verdünnten, unscharfen Kern hin, der in die Hülle gemischt ist, anstatt eines scharf definierten schweren Kerns, was zu Überarbeitungen der Entstehungs- und Innenmodelle führt.

Key figures

• Andrew Ingersoll
• Tristan Guillot
• Scott Bolton
• William Hubbard

Seminal works

• guillot2005
• ingersoll2004
• bolton2017

Frequently asked questions

Was ist der Große Rote Fleck?

Es ist ein riesiger, langlebiger antizyklonischer Sturm in der Jupiteratmosphäre, größer als die Erde, der seit mindestens ein paar Jahrhunderten teleskopischer Beobachtung besteht.

Warum geben Jupiter und Saturn mehr Wärme ab, als sie empfangen?

Sie ziehen sich immer noch langsam unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammen, und im Saturn setzt sich Helium zum Zentrum hin ab und setzt zusätzliche Wärme frei, sodass beide Planeten mehr Energie abstrahlen, als sie von der Sonne absorbieren.