Blitze auf Jupiter sind 100-mal stärker als auf der Erde

Gewitter werden seit Jahrzehnten intensiv erforscht. Trotzdem ist bis heute nicht vollständig geklärt, warum manche Blitze deutlich stärker ausfallen als andere. Neue Messungen vom Jupiter könnten nun eine Antwort auf diese Frage liefern. Dort hat die NASA-Sonde Juno Radiopulse erfasst, die teils weit über den Werten irdischer Entladungen liegen.

Interessanter ist, was sich daraus über Gewitter auf der Erde lernen lässt. Auf Jupiter laufen ähnliche physikalische Prozesse ab wie in irdischen Stürmen, aber unter viel extremeren Bedingungen. Die University of California, Berkeley beschreibt im Fachjournal AGU Advances, warum der Gasriese damit zu einem wichtigen Prüfstein für die Blitzforschung wird. So lässt sich besser verstehen, wie Stürme Energie speichern und warum manche Blitze besonders stark ausfallen.

Blitze auf Jupiter setzen viel mehr Energie frei

„Es gibt so viel, was wir über Blitze auf der Erde nicht wissen“, sagt Michael Wong von der University of California, Berkeley. Der Blick auf andere Planeten kann deshalb helfen, bekannte Fragen neu zu sortieren. Auf Jupiter verrät ein Blitz etwas über die Konvektion in der Atmosphäre. Damit ist das Aufsteigen, Durchmischen und Abkühlen von Luftmassen gemeint.

Auf der Erde steigt feuchte Luft meist leichter nach oben. Der Grund ist einfach: Unsere Atmosphäre besteht vor allem aus Stickstoff, und Wasser ist leichter als die umgebende Luft. Auf Jupiter ist das anders. Dort dominiert Wasserstoff. Feuchte Luft wird dadurch schwerer und steigt schlechter auf. Ein Sturm braucht also mehr Energie, um überhaupt hochzukommen. Wenn er es schafft, entlädt sich am Ende oft umso mehr davon.

Michael Wong ist hier mit einer neuartigen Diffraktivoptik zu sehen, die am NASA Langley Research Center entwickelt wurde. Er analysierte die Juno-Daten zu den starken Blitzen auf Jupiter. © Michael Wong/UC Berkeley

Seltene Wetterlage machte die Messung deutlich genauer

Die Daten stammen von der NASA-Sonde Juno, die Jupiter seit 2016 umkreist. An Bord befindet sich ein Mikrowellen-Radiometer. Das Instrument misst Radiostrahlung, die bei Blitzen entsteht. Sein großer Vorteil liegt darin, dass dichte Wolken den Blick nicht verdecken. Nachtaufnahmen zeigen oft nur die hellsten Entladungen. Mikrowellen liefern ein vollständigeres Bild.

Bisher gab es aber ein Problem. Auf Jupiter brechen oft mehrere Stürme gleichzeitig in den Wolkenbändern aus. Dann bleibt unklar, welcher Radiopuls zu welchem Sturm gehört. Wong vergleicht das mit einer Parade zum chinesischen Neujahr. Man höre Knalle, wisse aber nicht, ob sie direkt aus der Nähe kommen oder von weiter hinten. Zwischen 2021 und 2022 half eine ungewöhnliche Wetterlage. Im nördlichen Äquatorialband des Jupiter traten einzelne, isolierte Großstürme auf. Das Team nennt sie „Stealth-Superstürme“.

Diese Stürme ließen sich ungewöhnlich gut verfolgen. Das Hubble-Weltraumteleskop, Juno-Bilder und Aufnahmen von Amateurastronomen halfen dabei, ihre Position genau zu bestimmen. So konnten die Forscher die Radiopulse erstmals klar einem einzelnen Sturm zuordnen. „Weil wir eine präzise Position hatten, konnten wir direkt die Stärke messen“, so Wong.

Die NASA-Sonde Juno zeigt hier einen „Stealth-Supersturm“ im nördlichen Äquatorialband des Jupiter. Solche Stürme untersuchte Michael Wong von der University of California, Berkeley, um die außergewöhnlich starken Blitze des Planeten besser zu verstehen. — Die NASA-Sonde Juno zeigt einen hohen Sturm auf Jupiter. Solche „Stealth-Superstürme“ halfen Forschern, die ungewöhnlich starken Blitze des Planeten zu untersuchen. © NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Björn Jónsson

Juno erfasste typische Jupiter-Blitze statt Extremfällen

Juno flog in dieser Phase zwölfmal über isolierte Stürme hinweg. Bei vier Vorbeiflügen kam die Sonde nah genug heran, um das Mikrowellenrauschen der Blitze genau zu messen. Insgesamt wertete das Team 613 Radiopulse aus. Im Mittel registrierte die Sonde drei Pulse pro Sekunde. Bei einem Vorbeiflug erfasste Juno sogar 206 einzelne Pulse.

Die Medianwerte der gemessenen Radiopuls-Leistung lagen je nach Sturm zwischen 27 und 214 Watt. Im kombinierten Datensatz ergab sich ein korrigierter Median von 45 Watt. Der häufigste Wert lag bei 25 Watt. Mehrere Pulse überschritten 1 Kilowatt. Der stärkste gemessene Puls erreichte 5,3 Megawatt.

Gemessen wurde nicht die gesamte Energie eines Blitzes, sondern seine Radioleistung in einem bestimmten Frequenzbereich. Zudem mittelt das Instrument seine Daten über 0,1 Sekunden. Die eigentliche Entladung dauert wahrscheinlich nur Millisekunden. Die reale Leistung eines einzelnen Pulses dürfte also oft deutlich höher liegen als der gemittelte Wert.

Die Forscher weisen noch auf einen zweiten Punkt hin: Das Instrument registrierte offenbar nicht nur seltene Extremereignisse. Im Fachtext heißt es, Juno habe „typische Blitzpulse“ erfasst und nicht bloß „hochenergetische Ausreißer“.

Die enorme Energie der Jupiter-Blitze

Manche Entladungen auf Jupiter liegen deutlich über typischen irdischen Werten. Co-Autorin Ivana Kolmašová weist außerdem darauf hin, dass sich Mikrowellenleistung nicht direkt in die gesamte Blitzenergie übersetzen lässt. Ein Blitz sendet nicht nur Radiowellen aus. Er erzeugt auch Licht, Wärme, Schall und chemische Reaktionen. Auf der Erde setzt ein einzelner Blitz nach Schätzungen etwa 1 Gigajoule frei. Das reicht, um rund 200 durchschnittliche Haushalte eine Stunde lang mit Strom zu versorgen. Wong schätzt, dass die Gesamtenergie eines Jupiter-Blitzes bis zu 500-mal und vielleicht sogar bis zu 10.000-mal höher liegen könnte.

Auch die Struktur der Stürme liefert Hinweise. Jupiters Gewitter reichen mehr als 100 Kilometer hoch. Auf der Erde liegen typische Gewitterwolken eher bei rund 10 Kilometern Höhe. Die größere vertikale Ausdehnung könnte ein Teil der Erklärung sein. Hinzu kommt die andere Chemie in den Wolken. Geladene Eiskristalle bestehen dort nicht nur aus Wasser, sondern auch aus Ammoniak.

Der eigentliche Erkenntnisgewinn liegt deshalb nicht nur in der Wucht der Jupiter-Blitze. Interessant ist vor allem, was sie über Gewitter allgemein verraten. Auf dem Gasriesen laufen ähnliche Prozesse ab wie auf der Erde, nur unter extremeren Bedingungen. Das macht Jupiter für die Forschung so wertvoll.

Kurz zusammengefasst:

Auf Jupiter steigen feuchte Luftmassen schwerer auf als auf der Erde, deshalb brauchen Stürme mehr Energie und können am Ende deutlich stärkere Blitze erzeugen.
Die Juno-Sonde erfasste in vier isolierten Jupiter-Stürmen 613 Radiopulse, im Mittel drei pro Sekunde, und zeigte damit, dass nicht nur extreme Ausreißer, sondern typische Blitzpulse gemessen wurden.
Für die Forschung ist das wichtig, weil frühere Aufnahmen wohl viele schwächere Entladungen übersahen und Jupiter so hilft, die Entstehung starker Gewitter auch auf der Erde besser zu verstehen.

Übrigens: Während auf Jupiter extreme Blitze tiefe Einblicke in Gewitter geben, verraten jetzt Radio-Signale aus dem All, dass manche Sterne schon Jahre vor ihrer Supernova die Kontrolle verlieren. Die Daten zu SN 2023fyq zeigen, dass der Zerfall lange vor der Explosion beginnt. Mehr dazu in unserem Artikel.