Op gigantische planeten als Jupiter en Saturnus razen winden rond de evenaar met snelheden tot wel 2000 kilometer per uur. Ze doen onze ergste orkanen verbleken. Maar waarom waaien die winden op Jupiter en Saturnus naar het oosten, terwijl ze op Uranus en Neptunus juist naar het westen stuiven? Jarenlang bleef dit een mysterie, want deze vier reuzenplaneten lijken in veel opzichten op elkaar. Nu is er eindelijk een verklaring voor.
Om te begrijpen waar we het over hebben, moet je eerst weten wat straalstromen zijn. “Straalstromen zijn zeer snelle ‘luchtstromen’, vergelijkbaar met de straalstromen die vliegtuigen op aarde gebruiken”, legt Keren Duer-Milner uit aan Scientias.nl. Zij is onderzoeker bij de Sterrewacht Leiden en SRON en hoofdauteur van de nieuwe studie. Deze straalstromen zijn op aarde de reden waarom een vlucht naar New York bijvoorbeeld langer duurt dan de terugvlucht naar Amsterdam. Reis je naar het westen, dan werken ze je tegen. Als je naar het oosten vliegt, krijg je daarentegen een duwtje in de rug. Maar de straalstromen op de reuzenplaneten zijn van een heel andere orde. “Op reuzenplaneten zoals Jupiter en Saturnus bevinden zich ook straalstromen rond de evenaar, die nog breder en krachtiger zijn”, vertelt Duer-Milner.
Het grote raadsel
Wat wetenschappers al tientallen jaren voor een raadsel stelt, is het verschil in windrichting tussen de straalstromen op verschillende planeten. Op Jupiter en Saturnus jagen deze atmosferische snelwegen naar het oosten, terwijl ze op Uranus en Neptunus de andere kant op gaan. Dat is vreemd, want de vier planeten lijken in veel opzichten op elkaar: ze draaien allemaal snel om hun as, krijgen weinig zonlicht en produceren warmte vanuit hun binnenste.
“Dit is een centrale vraag in mijn onderzoek en verrassend genoeg hebben we nog steeds geen definitief antwoord”, zegt Duer-Milner. “Eerdere theorieën stelden dat verschillende factoren de winden op elke planeet bepalen. Zo zou de zon de straalstromen op Jupiter en Saturnus aansturen, terwijl wrijving de winden op Uranus en Neptunus bepaalt.” Maar het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in het vakblad Science Advances, gooit deze aanname overhoop. Het team van Duer-Milner ontdekte dat alle vier de planeten mogelijk met hetzelfde mechanisme werken, alleen levert dat verschillende resultaten op.
‘Kokend water’ in de ruimte
De sleutel tot het mysterie ligt in een proces dat we convectie noemen. “Convectie lijkt op wat er gebeurt wanneer je water kookt — heet water stijgt op en kouder water zakt”, legt Duer-Milner uit. “In de atmosferen van deze planeten gebeurt hetzelfde: heet gas stijgt op en kouder gas zakt, wat krachtige stromingen veroorzaakt.” Maar op een snel draaiende planeet gebeurt er iets bijzonders met deze opstijgende en dalende gasmassa’s. “Op snel roterende planeten organiseert die convectie zich in een specifieke richting, evenwijdig aan de rotatie-as”, zegt de onderzoeker. “Dat helpt bij het ontstaan van krachtige straalstromen rond de evenaar.”
Met computermodellen die de atmosferen nabootsen, ontdekte het team dat deze convectiecellen werken als een soort transportband. Ze kunnen de bovenste luchtlagen meeslepen, maar welke kant die luchtlagen op worden gestuwd, hangt af van één cruciale factor: de diepte van de atmosfeer. Op Jupiter is die 3.000 kilometer diep en op Saturnus zo’n 10.000 kilometer. Het onderzoek toont aan dat deze diepteverschillen bepalen welke kant de wind op waait.
Waarom duurde het zo lang?
Je zou je kunnen afvragen waarom wetenschappers er zo lang over hebben gedaan om dit te ontdekken. “Eerdere theorieën richtten zich vaak op de verschillen tussen de planeten en onderschatten de onderliggende overeenkomsten”, verklaart Duer-Milner. Daarnaast speelde een gebrek aan data een rol. “Ons inzicht in de diepte van de atmosferen van Jupiter en Saturnus is pas recent verbeterd, dankzij metingen van NASA’s Juno-sonde en het Cassini ‘Grand Finale’-experiment”, aldus de onderzoeker. De Juno-sonde leverde in 2018 gegevens over Jupiter, Cassini kwam in 2019 met nieuwe informatie over Saturnus.
Voor Uranus en Neptunus is de situatie nog uitdagender. “Hoewel we de exacte diepte van de atmosferen van Uranus en Neptunus nog niet kennen, wijzen gegevens van Voyager 2 (uit de jaren 1980) erop dat die niet zo diep kunnen zijn als die van Saturnus, maar mogelijk vergelijkbaar zijn met die van Jupiter”, aldus Duer-Milner.
Venster op verre werelden
De ontdekking kan veel verder reiken dan ons eigen zonnestelsel. Astronomen ontdekken steeds meer exoplaneten, maar het doorgronden van hun atmosferen blijft een enorme uitdaging. “Door de dynamiek van onze eigen reuzenplaneten te begrijpen, kunnen we betere modellen ontwikkelen voor exoplaneten”, legt Duer-Milner uit. “Zo kunnen we waarnemingen van telescopen beter interpreteren en leren over de omstandigheden op verre werelden, zonder ze direct te bezoeken.”
