Jupiterissa on ensimmäistä kertaa mitattu voimakkaita stratosfäärin tuulia

eso2104fi – Tutkimustiedote – Pasi Nurmi

18. maaliskuuta 2021

Jupiter on kuuluisa omintakeisista punaisista ja valkoisista vöistään ja vyöhykkeistään, jotka ovat pyöriviä liikkuvan kaasun pilviä, joita tähtitieteilijät perinteisesti käyttävät seurakseen Jupiterin alemmassa ilmakehässä olevia tuulia. Tähtitieteilijät ovat myös nähneet Jupiterin napojen lähellä elävää loistetta, jotka ovat Jupiterin revontulia, ja ne liittyvät planeetan yläilmakehän voimakkaisiin tuuliin. Tähän saakka tutkijat eivät olleet koskaan pystyneet mittaamaan näiden kahden ilmakehän kerroksen välissä, eli stratosfäärissä olevia tuulia. 

Tähtitieteilijät ovat Atacama Large Millimeter/submillimeter array (ALMA) radioteleskooppiverkoston avulla ensimmäistä kertaa havainneet suoraan erittäin voimakkaita tuulia Jupiterin keskimmäisessä osassa ilmakehää. Analysoimalla 1990-luvulla tapahtuneen komeetan törmäyksen aiheuttamia muutoksia tutkijat ovat paljastaneet ilmakehässä olevat uskomattoman voimakkaat tuulet, joiden nopeus on jopa 1450 kilometriä tunnissa Jupiterin napojen lähellä. Tutkimusryhmä on luonnehtinut näitä ”aurinkokuntamme ainutlaatuiseksi meteorologiseksi pedoksi”. Euroopan eteläinen observatorio (ESO) on yksi ALMA:n yhteistyökumppaneista.

Tuulennopeuksien mittaaminen Jupiterin stratosfäärissä pilvenseurantatekniikoilla on mahdotonta, koska tässä ilmakehän osassa ei ole pilviä. Tähtitieteilijöille annettiin kuitenkin toinen mittaamiskeino komeetta Shoemaker–Levy 9:n mukana. Se törmäsi kaasujättiläiseen näyttävästi vuonna 1994. Tämä törmäys muodosti uusia molekyylejä Jupiterin stratosfäärissä, jossa ne ovat liikkuneet tuulten mukana siitä lähtien.

Ranskan Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux'n Thibault Cavalién johtama tähtitieteilijäryhmä on nyt jäljittänyt yhtä näistä molekyyleistä. He ovat seuranneet vetysyanidin kulkeutumista ilmakehässä mitatakseen suoraan Jupiterin stratosfäärissä ilmeneviä "suihkuja”. Tutkijat käyttävät ”suihku”-sanaa viittaamaan ilmakehässä oleviin kapeisiin tuulivyöhykkeisiin, kuten suihkuvirtauksiin Maassa.

”Näyttävin tulos on voimakkaiden suihkujen läsnäolo, joiden nopeudet ovat jopa 400 metriä sekunnissa. Suihkut sijaitsevat revontulien alapuolella napojen lähellä”, Cavalié sanoi. Nämä tuulennopeudet, jotka vastaavat noin 1450 kilometriä tunnissa, ovat yli kaksi kertaa suurempia kuin Jupiterin suuressa punaisessa pisteessä havaitut maksimimyrskynopeudet ja arvo on yli kolminkertainen Maan voimakkaimmilla tornadoilla mitattuihin tuulennopeuksiin verrattuna. 

”Havaintomme osoittavat, että nämä suihkut voivat käyttäytyä jättimäisen pyörteen tavoin, jonka läpimitta on jopa neljä kertaa Maan kokoinen ja korkeudeltaan noin 900 kilometriä”, toinen tutkimuksen kirjoittajista Bilal Benmahi, myös Laboratoire d'Astrophysique de Bordeauxsta, sanoi. ”Näin suuri pyörre olisi aurinkokunnassamme ainutlaatuinen meteorologinen hirviö”, Cavalié lisäsi.

Tähtitieteilijät olivat tietoisia Jupiterin napojen lähellä olevista voimakkaista tuulista, mutta tunnetut tuulet tapahtuvat paljon ylempänä ilmakehässä satoja kilometrejä tämän tutkimuksen alueen yläpuolella. Uusi tutkimus julkaistaan tänään Astronomy & Astrophysics -lehdessä. Aiemmissa tutkimuksissa ennustettiin, että näiden yläilmakehän tuulien nopeudet vähenisivät ja ne katoaisivat paljon ennen kuin mentäisiin stratosfäärin syvyyteen. ”Uusi ALMA-data kertoo kuitenkin juuri päinvastoin”, Cavalié sanoi lisäten, että näiden voimakkaiden stratosfääristen tuulten löytäminen Jupiterin napojen läheltä oli ”todellinen yllätys”.

Ryhmä käytti 42:ta ALMA:n 66:sta korkean tarkkuuden antennista, jotka sijaitsevat Atacaman autiomaassa Pohjois-Chilessä. He havaitsivat ALMA:n avulla vetysyanidimolekyylejä, jotka ovat liikkuneet Jupiterin stratosfäärissä Shoemaker—Levy 9:n törmäyksestä lähtien. ALMA-havaintojen avulla he pystyivät mittaamaan Dopplerin-siirtymiä, jotka ovat pieniä planeetan tuulista johtuvia molekyylien lähettämän säteilyn taajuusmuutoksia. ”Mittaamalla tätä siirtymää pystyimme päättelemään tuulten nopeuksia aivan kuten voisimme päätellä ohikulkevan junan nopeuden junapillin äänen taajuusmuutoksia kuuntelemalla”, tutkimuksen toinen kirjoittaja Vincent Hue, joka on yhdysvaltalaisen Southwest Research Instituutin planeettatutkija, sanoi.

Yllättävien napatuulten lisäksi tutkimusryhmä käytti ALMA:a myös varmentaakseen voimakkaiden stratosfäärituulten olemassaolon planeetan päiväntasaajalla mittaamalla suoraan niiden nopeutta, mikä tapahtui myös ensimmäistä kertaa. Tässä osassa planeettaa havaittujen suihkujen keskinopeudet ovat noin 600 kilometriä tunnissa.

Stratosfäärin tuulten jäljittämiseen vaadittavat ALMA-havainnot sekä Jupiterin navoilla että päiväntasaajalla kestivät alle 30 minuuttia. ”Se, että erotimme todella tarkkoja yksityiskohtia tässä lyhyessä ajassa, osoittavat todellakin ALMA-havaintojen tehokkuuden”, Thomas Greathouse, yhdysvaltalaisen Southwest Research Institute -tutkimuslaitoksen tutkija ja tutkimuksen toinen kirjoittajista sanoi. ”Minusta on hämmästyttävää nähdä näiden tuulten ensimmäiset suorat mittaukset.”

”Nämä ALMA:n tulokset avaavat uuden ikkunan Jupiterin revontulialueiden tutkimiselle, mikä oli todella odottamatonta vielä muutama kuukausi sitten”, Cavalié sanoi. ”Havainnot luovat pohjan vastaaville, mutta vielä laajemmille mittauksille, jotka on tarkoitus tehdä JUICE-sateliitin avulla käyttäen sen 'Submillimetre Wave'-instrumenttia”, Greathouse lisäsi viitaten Euroopan avaruusjärjestön JUpiter ICy moons Exploreriin, jonka laukaisua avaruuteen odotetaan ensi vuonna.

ESO:n maanpinnalla havaintoja tekevä äärimmäisen suuri teleskooppi (ELT) aloittaa toimintansa myöhemmin tällä vuosikymmenellä, ja se tulee tutkimaan myös Jupiteria. Teleskooppi pystyy tekemään erittäin yksityiskohtaisia havaintoja planeetan revontulista, antaen meille lisää tietoa Jupiterin ilmakehästä.