Ein Schweif in der Ferne

Himmelskörper beeinflussen sich gegenseitig aufgrund ihrer Schwer­kraft. Ebenso können Himmels­körper aber auch elektro­magnetisch miteinander wechselwirken. Ein Parade­beispiel für die elektro­magnetische Kopplung in unserem Sonnen­system ist Jupiter und sein Mond Io. Dabei können Phänomene wie ein durch Io verursachter Polarlicht­schweif auf dem Gas­giganten Jupiter entstehen. Der NASA-Raum­sonde Juno, die seit Juli 2016 im Orbit um Jupiter ist, gelang es nun, Daten in bisher unbekannter Detail­treue aufzunehmen. Sie beobachtete im Schweif von Io Leucht­punkte, die mit schlieren­artigen Strukturen verbunden sind. Diese Strukturen erinnern auch an Kármánsche Wirbel­straßen, die man aus der Umströmung von Hindernissen in Wind­kanälen kennt. Joachim Saur vom Institut für Geo­physik und Meteorologie der Uni Köln hat dies nun mit internationalen Kollegen untersucht.

Der Jupitermond Io generiert magneto-hydro­dynamische Wellen, die ähnlich wie Kanal­wellen nur in eine Richtung laufen, in diesem Fall entlang eines Magnet­feldes. Da der Mond Io sich im Einfluss­bereich des gigantischen Magnet­feldes von Jupiter bewegt, laufen die von Io erzeugten magneto-hydro­dynamischen Wellen entlang des Jupiter­magnet­felds zu Jupiter hin. Sie treffen dort in der nördlichen und südlichen Polar­region auf. An den Stellen des Auftreffens erzeugen sie intensive Polar­licht-Leucht­flecken, die auch Polarlicht-Fuß­punkte der Monde genannt werden. Man bräuchte zirka 1000 irdische Kraft­werke, um die Leucht­kraft der Polar­licht-Fuß­punkte von Io zu erzeugen. Auch Jupiters Monde Europa und Ganymed erzeugen ähnliche Polar­licht-Fuß­punkte. Die Polar­licht-Fuß­punkte, insbesondere die von Io, haben zudem einen sehr langen Polar­licht-Schweif. Dieser entsteht aufgrund der Bewegung von Io im Magnet­feld von Jupiter, wodurch die von Io generierten und an Jupiter reflektierten magneto-hydro­dynamischen Wellen strom­abwärts vom Mond getragen werden.

Ios Polarlicht-Schweif wurde nun mit der Infrarot-Kamera der NASA Raumsonde Juno mit bisher unerreichter Auflösung beobachtet. Die Juno Messungen haben dabei zum ersten Mal eine erstaunlich detaillierte Struktur des Polarlicht-Schweifs beobachtet. „Der Schweif besteht aus vielen gegen­einander versetzten Leucht­punkten, die mit schlieren­artigen Strukturen verbunden sind“, so Saur. „Diese Strukturen rühren vermutlich von einem viel komplexeren Reflexions­verhalten der magneto-hydro­dynamischen Wellen her, als bisher angenommen wurde.“

Die neuen Beobachtungen der Effekte von elektro­magnetischer Kopplung zwischen zwei Himmels­körpern ist insbesondere auch für extra­solare Planeten relevant. Viele der bekannten Exo­planeten umkreisen ihren zentralen Stern in großer Nähe und können daher auch elektro­magnetisch mit dem Stern wechsel­wirken. Dies führt zu einem Polar­licht-Fuß­punkt des Exo­planeten in der Atmo­sphäre des Sterns. Allerdings lässt sich in diesen Systemen wegen der großen Distanz von der Erde das Fußpunkt-Leuchten nicht räumlich auflösen. „Der Jupiter­mond Io ist mit seinen Polar­licht-Fuß­punkten und seinem dazugehörigen Schweif deswegen das Muster­beispiel, an dem die Forschung der elektro­magnetischen Kopplung zweier Himmels­körper voran­getrieben wird“, erklärt Joachim Saur.

Joachim Saur und seine Arbeitsgruppe am Institut für Geo­physik und Meteorologie beschäftigen sich seit vielen Jahren mit diesen Kopplungen. Durch ihre Erforschung der elektro­magnetischen Phänomene der Monde von Gas­planeten gelang ihnen unter anderem der Nachweis von flüssigen Wassers unter der Ober­fläche des Jupiter­mondes Ganymed und der Existenz von Wasser­dampf-Geysiren auf dem Saturn­mond Enceladus.

U. Köln / DE