Jupiter (Planet)

Überblick und Bedeutung

Jupiter ist der größte und massereichste Planet des Sonnensystems. Sein Äquatordurchmesser beträgt 142.976 km, seine Masse 1,898 · 10^27 kg beziehungsweise etwa 318 Erdmassen. Er umkreist die Sonne als fünfter Planet in durchschnittlich 778 Millionen km Entfernung und ist der innerste der äußeren Gasplaneten. Wie Saturn, Uranus und Neptun besitzt er keine feste Oberfläche: Die sichtbaren, fast parallelen Streifen sind farbige Wolkenbänder.

Jupiter besteht vor allem aus Wasserstoff und Helium und hat mit 1,326 g/cm³ eine geringere mittlere Dichte als die erdähnlichen Planeten. Er ist etwa 2,5-mal so massereich wie alle anderen sieben Planeten zusammen; Jupiter und Saturn vereinen über 90 % der Masse aller Planeten. Seine große Masse beeinflusst den Asteroidengürtel und ist Teil des Massengleichgewichts im Sonnensystem. Auf seiner Bahn begleiten ihn Trojaner an den Lagrange-Punkten L4 und L5.

Am Nachthimmel ist Jupiter nach Mond und Venus das dritthellste Objekt; seine maximale scheinbare Helligkeit beträgt −2,94^m. Sein Symbol ist ♃. Bekannt sind 115 Monde sowie ein schwaches Ringsystem. Die vier größten Monde heißen Io, Europa, Ganymed und Kallisto.

Bahn, Drehung und grundlegende Maße

Jupiters Bahn ist annähernd kreisförmig. Die große Halbachse beträgt 5,204 AE (778,51 Mio. km), die Exzentrizität 0,0487 beziehungsweise im Text 0,0489. Sein Perihel liegt bei etwa 4,95 AE, sein Aphel bei etwa 5,46 AE. Die Bahnebene ist nur etwa 1,3° gegen die Ekliptik geneigt. Für einen Umlauf benötigt Jupiter 11 Jahre, 315 Tage und 3 Stunden; die synodische Umlaufzeit beträgt 398,88 Tage. Deshalb bewegt er sich jährlich ungefähr um ein Sternbild im Tierkreis weiter, und seine Opposition tritt jedes Jahr etwa einen Monat später ein.

Jupiter dreht sich schneller um seine Achse als jeder andere Planet des Sonnensystems. Die Rotationsperiode beträgt knapp zehn Stunden, angegeben mit 9 h 55 min 30 s. Die schnelle Drehung führt durch Fliehkräfte zu einer deutlichen Abplattung: Der Äquatordurchmesser von 142.976 km ist größer als der Poldurchmesser von 133.684 km. Als Gasplanet rotiert Jupiter differentiell, also nicht überall gleich schnell. Die Äquatorregionen, System I, benötigen 9 h 50 min 30 s; die Polregionen, System II, 9 h 55 min 41 s.

Die Rotationsachse ist nur 3,13° gegen die Normale der Umlaufbahn geneigt. Deshalb hat Jupiter keine ausgeprägten Jahreszeiten. Die Fallbeschleunigung beträgt 25,92 m/s², die Fluchtgeschwindigkeit 59,5 km/s. Bei 100 kPa beziehungsweise 1 bar, dem als „Oberfläche“ oder Nullniveau definierten Druck, beträgt die Temperatur 165 K (−108 °C); bei 10 kPa 112 K (−161 °C).

Atmosphäre und innerer Aufbau

Jupiter hat weder eine feste Oberfläche noch eine scharf begrenzte Atmosphäre. Mit zunehmender Tiefe geht seine Gashülle ohne klaren Phasenübergang in einen überkritischen Zustand über. Überkritisch bedeutet hier: Druck und Temperatur liegen so hoch, dass sich keine getrennten gasförmigen und flüssigen Phasen mehr unterscheiden lassen.

Die Außenschichten zeigen helle Zonen und dunkle Gürtel, die in Ost-West-Richtung um den Planeten verlaufen. Zonen sind kühler, dichter und enthalten aufsteigende Gase; ihre helle Farbe wird vermutlich durch Ammoniakeis verursacht. Gürtel sind dunkler; als mögliche Stoffe werden Phosphor, Schwefel und Kohlenwasserstoffe genannt. An den Grenzen verlaufen Jets, schmale Bereiche mit Windgeschwindigkeiten von etwa 300 km/h. Die entgegengesetzt gerichteten Strömungen erzeugen Turbulenzen und Wirbelstürme. Nahe den Polen fehlen der ausgeprägte zonale Fluss und die typischen Bandstrukturen.

Die Wolkendecke ist etwa 50 km dick und umfasst mindestens eine dichte untere sowie eine dünnere obere Schicht. Die Aerosolwolken enthalten gefrorenes Ammoniak, möglicherweise auch Ammoniumhydrogensulfid. Unter der Ammoniakwolkenschicht könnte eine Wasserwolken-Schicht liegen. Blitze deuten darauf hin; sie können tausendmal stärker als Blitze auf der Erde sein. Alle vier bis fünf Jahre ändern sich Farbe und Infrarothelligkeit der Sturmbänder. Als mögliche Ursache gelten Torsions-Oszillationen im tiefen Magnetdynamo; ihre Halbperiode von 4,6 bis 4,7 Jahren entspricht den beobachteten Intervallen.

In den oberen Schichten bestehen nach Stoffmenge 89,8 ± 2 Vol.-% aus Wasserstoff und 10,2 ± 2 Vol.-% aus Helium; hinzu kommen Methan mit 0,3 ± 0,2 Vol.-% und Ammoniak mit 260 ± Vol.-ppm. Nach Masse sind es etwa 75 % Wasserstoff, 24 % Helium und 1 % andere Elemente. Im Inneren besteht Jupiter zu über 87 % aus Wasserstoff und Helium sowie zu 3 bis 13 % aus anderen Elementen. In großer Tiefe wird Wasserstoff metallisch, also elektrisch leitfähig. Vermutet wird ein Gestein-Eis-Kern aus schweren Elementen unterhalb etwa eines Viertels des Radius, mit bis zu etwa 20 Erdmassen. Helium- und Neontröpfchen können in Richtung Kern fallen; auch Diamantniederschläge werden vermutet.

Wetter, Wärme und Magnetosphäre

Das auffälligste Wetterphänomen ist der Große Rote Fleck, der größte Wirbelsturm des Sonnensystems. Er ist ein ovaler Antizyklon bei etwa 22° südlicher Breite und existiert seit mindestens 200 Jahren; möglicherweise ist er deutlich älter, sicher registriert wurde er erstmals 1830. Er liegt stabil zwischen zwei Wolkenbändern, driftet aber mit etwa einem halben Grad pro Tag westwärts. Seine Länge beträgt derzeit etwa eineinhalb Erddurchmesser. In den 1880er Jahren maß er bis zu 40.000 km Länge und 14.000 km Breite; im Mai 2014 wurde mit etwa 16.500 km die kleinste gemessene längere Achse festgestellt. Der Fleck ist bis 8 km höher und kühler als die umgebenden Wolken. An seinem Rand wurden Windgeschwindigkeiten bis 190 m/s (680 km/h) gemessen, seine Rotationsperiode beträgt etwa 6 Erdtage.

Weitere Wirbelstürme entstehen und zerfallen in einem genannten 70-jährigen Klimazyklus. Das weiße Oval BA entwickelte sich ab 1998 aus drei Stürmen und färbte sich 2006 rot; in seinem Inneren wurden bis 600 km/h gemessen. Ein im Mai 2008 entdeckter dritter roter Fleck wurde Mitte Juli 2008 vom Großen Roten Fleck verschlungen. Die Südliche tropische Störung, eine bisweilen 72.000 km lange Dunstwolke, interagierte früher ungefähr alle zwei Jahre mit dem Großen Roten Fleck, wurde aber seit 1940 nicht mehr beobachtet.

Jupiter gibt mehr Wärme ab, als er von der Sonne aufnimmt. Als Beiträge werden die Abkühlung des festen Kerns um 1 K pro Jahrmillion und die Kontraktion der Hülle genannt, der Kelvin-Helmholtz-Mechanismus. Im Artikel stehen unterschiedliche Werte: 335 (± 26) Petawatt zusätzliche Wärme beziehungsweise 5,444 ± 0,425 W/m² sowie, gestützt durch Cassini-Messungen, eine interne Wärme von 7,485 ± 0,163 W/m². Möglicherweise trägt die Entmischung von Wasserstoff und Helium bei.

Jupiter besitzt das größte planetare Magnetfeld des Sonnensystems. An der Oberfläche beträgt es am Äquator etwa 400 Mikrotesla und an den Polen 1040 bis 1400 Mikrotesla, also etwa das 10- bis 20-Fache des Erdmagnetfelds. Metallischer Wasserstoff und die schnelle Rotation gelten als entscheidend für seine Entstehung. Die Magnetosphäre reicht zur Sonne hin etwa 5 bis 7 Mio. km, bei schwachem Sonnenwind bis 16 Mio. km, und auf der sonnenabgewandten Seite gut 700 Mio. km weit. Sie fängt geladene Teilchen aus Sonnenwind und besonders von Io ein; dadurch entstehen Plasmatorus und Synchrotronstrahlung.

Ringe, Monde und Beobachtung

Das Jupiterringsystem ist sehr schwach und besteht überwiegend aus fast schwarzen Staubkörnchen mit einer Albedo von nur 5 %. Es wurde 1979 von Voyager 1 erstmals fotografiert. Staubteilchen werden durch das Magnetfeld, Zusammenstöße mit geladenen Teilchen und den Poynting-Robertson-Effekt abgebremst und verschwinden ohne Nachschub innerhalb von etwa 100.000 Jahren. Nachschub entsteht wahrscheinlich durch Meteoriteneinschläge auf kleine felsige Monde. Der Hauptring wird von Staub von Adrastea und Metis gespeist; die Gossamer-Ringe hauptsächlich von Thebe und Amalthea. Ein äußerer, extrem dünner Ring besitzt über 640.000 km Durchmesser und umkreist Jupiter gegenläufig; sein Ursprung ist ungeklärt.

Von den 115 bekannten Monden sind Io, Europa, Ganymed und Kallisto die Galileischen Monde. Sie wurden 1610 unabhängig durch Galileo Galilei und Simon Marius entdeckt und haben Durchmesser zwischen 3122 und 5262 km. Io hat zahlreiche Vulkane und eine sehr dünne, vor allem aus Schwefeldioxid bestehende Atmosphäre. Europa besitzt wahrscheinlich einen etwa 100 km tiefen Wasserozean unter einer 10 bis 20 km dicken Eiskruste. Ganymed ist mit 5262 km der größte Mond des Sonnensystems und besitzt ein eigenes Magnetfeld. In Kallisto gibt es wahrscheinlich Schichten flüssigen Wassers. Metis, Adrastea, Amalthea und Thebe sind weitere kleine innere Monde; die übrigen kleinen Monde wurden vermutlich eingefangen.

Jupiter ist etwa drei Viertel des Jahres mit bloßem Auge sichtbar. Mit einem Fernrohr entdeckte Galileo 1610 die vier größten Monde. Ab etwa 50-facher Vergrößerung lassen sich äquatorparallele Wolkenbänder und manchmal die Mondschatten beobachten. Etwa alle 20 Jahre kommt es, von der Erde aus gesehen, zu einer großen Konjunktion von Jupiter und Saturn.

Erforschung durch Raumsonden

Pioneer 10 flog am 3. Dezember 1973 erstmals in etwa 130.000 km Entfernung an Jupiter vorbei; Pioneer 11 näherte sich am 3. Dezember 1974 bis auf etwa 43.000 km. Beide lieferten Daten über die Magnetosphäre und erste Nahaufnahmen. Voyager 1 und 2 passierten das System 1979, wiesen Vulkanismus auf Io nach, entdeckten die Ringe und fotografierten die Atmosphäre. Ulysses untersuchte 1992 die Magnetosphäre ohne Kamera. Cassini passierte Jupiter am 30. Dezember 2000 in etwa 10 Mio. km Entfernung und erstellte hochaufgelöste globale Aufnahmen. New Horizons sammelte im Februar und März 2007 Daten zu Wolken, Magnetosphäre, Polarlichtern und Blitzen.

Galileo war der erste Jupiter-Orbiter und schwenkte am 7. Dezember 1995 in eine Umlaufbahn ein. Er beobachtete Einschläge des Kometen Shoemaker-Levy 9, Vulkane auf Io, Hinweise auf einen Ozean auf Europa und Wolkenbewegungen. Eine Eintrittskapsel maß ab dem 7. Dezember 1995 Temperatur, Druck, Wind und Zusammensetzung. Sie sendete 57,6 Minuten Daten, sank etwa 160 km tief und registrierte zuletzt 22 bar sowie +152 °C. Die Mission endete am 21. September 2003 durch gezieltes Eintauchen in Jupiter, um eine mögliche Verunreinigung Europas zu vermeiden.

Juno startete am 5. August 2011 und erreichte am 4. Juli 2016 einen elliptischen polaren Orbit. Sie untersucht Atmosphäre, Magnetfeld, Magnetosphäre und deren Wechselwirkung mit dem Sonnenwind. Aufnahmen aus 50.000 km Entfernung führten 2021 zu dem NASA-Schluss, dass die Jetstreams 3.000 km tief reichen. Juno wird vollständig mit Solarenergie versorgt.

JUICE startete am 13. April 2023 und soll Jupiter im Juli 2031 erreichen; nach Vorbeiflügen an Europa und Kallisto soll die Sonde 2034 Ganymed umkreisen. Europa Clipper startete im Oktober 2024 und soll Europas Oberfläche sowie den darunter vermuteten Ozean auf habitabele Bedingungen und mögliche Lebensräume untersuchen.