Gasplanet
Ein Gasriese ist ein Riesenplanet, der hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht. Gasriesen werden auch als gescheiterte Sterne bezeichnet, weil sie die gleichen Grundelemente wie ein Stern enthalten. Jupiter und Saturn sind die Gasriesen des Sonnensystems. Ursprünglich war der Begriff "Gasriese" gleichbedeutend mit "Riesenplanet", aber in den 1990er Jahren wurde bekannt, dass Uranus und Neptun in Wirklichkeit eine eigene Klasse von Riesenplaneten sind, die hauptsächlich aus schwereren flüchtigen Stoffen bestehen (die als "Eis" bezeichnet werden). Aus diesem Grund werden Uranus und Neptun jetzt oft in die separate Kategorie der Eisriesen eingeordnet. ⓘ
Jupiter und Saturn bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium, wobei die schwereren Elemente zwischen 3 und 13 Prozent der Masse ausmachen. Man nimmt an, dass sie aus einer äußeren Schicht aus komprimiertem molekularem Wasserstoff bestehen, die eine Schicht aus flüssigem metallischem Wasserstoff umgibt, und wahrscheinlich einen geschmolzenen felsigen Kern im Inneren haben. Der äußerste Teil ihrer Wasserstoffatmosphäre enthält viele Schichten sichtbarer Wolken, die hauptsächlich aus Wasser und Ammoniak bestehen. Die Schicht aus metallischem Wasserstoff, die sich in der Mitte des Inneren befindet, macht den Großteil aller Gasriesen aus und wird als "metallisch" bezeichnet, weil der sehr hohe atmosphärische Druck Wasserstoff zu einem elektrischen Leiter macht. Man nimmt an, dass die Kerne der Gasriesen aus schwereren Elementen bei so hohen Temperaturen (20.000 K) und Drücken bestehen, dass ihre Eigenschaften noch nicht vollständig verstanden sind. ⓘ
Die entscheidenden Unterschiede zwischen einem sehr massearmen Braunen Zwerg (der eine Masse von etwa dem 13-fachen des Jupiters haben kann) und einem Gasriesen sind umstritten. Die eine Denkschule geht von der Entstehung aus, die andere von der Physik des Inneren. Ein Teil der Debatte betrifft die Frage, ob Braune Zwerge per Definition irgendwann in ihrer Geschichte eine Kernfusion erlebt haben müssen. ⓘ
Häufig werden Gasplaneten auch als jupiterähnliche oder – aus dem Lateinischen – als jovianische Planeten bezeichnet. ⓘ
Überblick
Gasplaneten haben keine feste Oberfläche. Das Gas wird mit zunehmender Tiefe dichter, da es durch die darüber befindlichen Schichten komprimiert wird. Dennoch können diese Planeten einen festen Kern haben – und nach der Kern-Aggregations-Hypothese ist solch ein Kern für ihre Entstehung sogar notwendig. Der Großteil der Planetenmasse besteht jedoch aus leichten Gasen, die im Innern aufgrund des hohen Drucks und niedriger Temperaturen in flüssigem oder festem Aggregatzustand vorliegen. ⓘ
Im Sonnensystem gibt es vier Riesenplaneten, darunter zwei Gasriesen, Jupiter und Saturn. Alle Riesenplaneten des Sonnensystems haben – im Unterschied zu den kleineren, terrestrischen Planeten aus Gestein und Metallen – ein mehr oder weniger ausgeprägtes Ringsystem und zahlreiche Satelliten. ⓘ
Das Fehlen einer sichtbaren, festen Oberfläche macht es zunächst schwierig, die Radien bzw. Durchmesser von Gasplaneten anzugeben. Wegen der nach innen kontinuierlich zunehmenden Dichte kann man aber jene Höhe berechnen, in der der Gasdruck gerade so hoch ist wie der Luftdruck, der an der Erdoberfläche herrscht (auf Meeresniveau 1 atm oder 1013 mbar). Was man bei einem Blick auf Jupiter oder Saturn sieht, sind ausnahmslos die obersten Wolkenstrukturen innerhalb ihrer Atmosphären. ⓘ
Der Begriff Gasriese wurde 1952 von dem Science-Fiction-Autor James Blish geprägt und wurde ursprünglich für alle Riesenplaneten verwendet. Der Begriff ist wohl nicht ganz zutreffend, denn auf dem größten Teil des Volumens aller Riesenplaneten herrscht ein so hoher Druck, dass die Materie nicht in gasförmiger Form vorliegt. Abgesehen von den festen Stoffen im Kern und in den oberen Schichten der Atmosphäre befindet sich die gesamte Materie oberhalb des kritischen Punktes, an dem nicht zwischen Flüssigkeiten und Gasen unterschieden wird. Der Begriff hat sich dennoch eingebürgert, da die Planetenforscher in der Regel "Gestein", "Gas" und "Eis" als Abkürzungen für Klassen von Elementen und Verbindungen verwenden, die üblicherweise als Planetenbestandteile vorkommen, unabhängig davon, in welcher Phase die Materie erscheint. Im äußeren Sonnensystem werden Wasserstoff und Helium als "Gase" bezeichnet, Wasser, Methan und Ammoniak als "Eis" und Silikate und Metalle als "Gestein". Da Uranus und Neptun hauptsächlich aus Eis und nicht aus Gas bestehen, werden sie in dieser Terminologie eher als Eisriesen bezeichnet und von den Gasriesen unterschieden. ⓘ
Klassifizierung
Theoretisch lassen sich die Gasriesen je nach ihren physikalischen Atmosphäreneigenschaften und damit ihrem Aussehen in fünf verschiedene Klassen einteilen: Ammoniakwolken (I), Wasserwolken (II), wolkenlose Wolken (III), Alkalimetallwolken (IV) und Silikatwolken (V). Jupiter und Saturn gehören beide zur Klasse I. Die heißen Jupiter gehören zur Klasse IV oder V. ⓘ
Exoplaneten und Zwergsterne
Auch viele der Exoplaneten, die in den letzten Jahren bei anderen Sternen entdeckt wurden, scheinen Gasriesen zu sein. Allerdings unterscheiden sich diese Exoplaneten häufig von den Gasriesen in unserem Sonnensystem. Oberhalb von etwa der 13-fachen Masse des Jupiters, was 1,2 % der Sonnenmasse entspricht, setzen wegen der großen Hitze und des enormen Drucks im Inneren bereits erste Kernfusionsprozesse ein. Dies sind im Wesentlichen
- die Deuteriumfusion, bei der ab 13 Jupitermassen ein Deuteriumkern und ein Proton zu Helium-3 verschmelzen, sowie
- die Lithiumfusion, bei der ab etwa 65 Jupitermassen bzw. Kerntemperaturen über zwei Millionen Kelvin ein Lithium-7 mit einem Proton reagiert.
Himmelskörper über 13 Jupitermassen (MJ) sind jedoch noch keine Sterne, sondern so genannte Braune Zwerge. In ihnen findet noch keine Wasserstoff-Helium-Fusion statt, die erst ab etwa 75 Jupitermassen einsetzt und die Hauptenergiequelle eines normalen Sterns ist. Nach der neueren Definition für Braune Zwerge durch Fusionsprozesse beträgt die Obergrenze für einen Planeten also 13 Jupitermassen. Hat ein Gasriese eine Masse über 13 MJ, beginnt die Gaskugel – im Gegensatz zu einem Planeten – Fusionsenergie freizusetzen und wird bis etwa 70 MJ (7 % der Sonnenmasse) als Brauner Zwerg bezeichnet, kann den Kontraktionsprozess aber, anders als ein Stern, durch diese Energie noch nicht stabilisieren. Erst noch massereichere Himmelskörper sind tatsächlich Sterne. ⓘ
Es gibt auch „vagabundierende Planeten“ bzw. Objekte planetarer Masse, die keinem Sternensystem angehören, unter der Masse von Braunen Zwergen liegen und damit Gasplaneten ähneln. Ein ähnliches Phänomen sind die Sub-Brown Dwarfs, wobei der Unterschied vor allem in der Temperatur und möglicherweise der Entstehungsgeschichte begründet werden könnte. ⓘ
Kalte Gasriesen
Ein kalter, wasserstoffreicher Gasriese mit mehr Masse als Jupiter, aber weniger als 500 MDie Erde (1,6 MJ) wird nur geringfügig größer sein als Jupiter. Bei Massen über 500 MErde führt die Schwerkraft dazu, dass der Planet schrumpft (siehe Entartete Materie). ⓘ
Die Kelvin-Helmholtz-Erwärmung kann dazu führen, dass ein Gasriese mehr Energie abstrahlt als er von seinem Wirtsstern erhält. ⓘ
Gaszwerge
Obwohl die Worte "Gas" und "Riese" oft kombiniert werden, müssen Wasserstoffplaneten nicht so groß sein wie die bekannten Gasriesen des Sonnensystems. Kleinere Gasplaneten und Planeten, die sich näher an ihrem Stern befinden, verlieren ihre atmosphärische Masse jedoch schneller durch hydrodynamisches Entweichen als größere und weiter entfernte Planeten. ⓘ
Ein Gaszwerg könnte definiert werden als ein Planet mit einem felsigen Kern, der eine dicke Hülle aus Wasserstoff, Helium und anderen flüchtigen Stoffen angesammelt hat und daher einen Gesamtradius zwischen 1,7 und 3,9 Erdradien aufweist. ⓘ
Der kleinste bekannte extrasolare Planet, der wahrscheinlich ein "Gasplanet" ist, ist Kepler-138d, der die gleiche Masse wie die Erde hat, aber 60 % größer ist und daher eine Dichte aufweist, die auf eine dicke Gashülle hinweist. ⓘ
Ein massearmer Gasplanet kann dennoch einen Radius haben, der dem eines Gasriesen ähnelt, wenn er die richtige Temperatur hat. ⓘ
Niederschlag und meteorologische Phänomene
Jovianisches Wetter
Die Wärme, die durch lokale Stürme nach oben geleitet wird, ist ein wichtiger Faktor für das Wetter auf Gasriesen. Ein Großteil, wenn nicht sogar die gesamte Tiefenwärme, die aus dem Inneren des Planeten entweicht, fließt durch gewaltige Gewitter nach oben. Diese Störungen entwickeln sich zu kleinen Wirbeln, die schließlich Stürme wie den Großen Roten Fleck auf dem Jupiter bilden. Auf der Erde und auf dem Jupiter sind Blitze und der Wasserkreislauf eng miteinander verbunden, um intensive Gewitter zu erzeugen. Während eines irdischen Gewitters wird durch Kondensation Wärme freigesetzt, die aufsteigende Luft nach oben drückt. Dieser Motor der "feuchten Konvektion" kann elektrische Ladungen in verschiedenen Teilen einer Wolke absondern; die Wiedervereinigung dieser Ladungen ist der Blitz. Daher können wir Blitze nutzen, um uns zu signalisieren, wo Konvektion stattfindet. Obwohl der Jupiter keinen Ozean oder feuchten Boden hat, scheint die feuchte Konvektion im Vergleich zur Erde ähnlich zu funktionieren. ⓘ
Der Rote Fleck des Jupiters
Der Große Rote Fleck (GRS) ist ein Hochdrucksystem auf der Südhalbkugel des Jupiters. Der GRS ist ein starkes Antizyklon, das mit 430 bis 680 Stundenkilometern gegen den Uhrzeigersinn um das Zentrum wirbelt. Der Fleck ist inzwischen für seine Grausamkeit bekannt und ernährt sich sogar von kleineren Jupiterstürmen. Tholine sind braune organische Verbindungen, die auf der Oberfläche verschiedener Planeten zu finden sind und durch UV-Bestrahlung gebildet werden. Die auf der Jupiteroberfläche vorhandenen Tholine werden durch Stürme und Zirkulationen in die Atmosphäre aufgesaugt; es wird angenommen, dass die aus dem Regolith herausgeschleuderten Tholine im GRS des Jupiters hängen bleiben und es rot färben. ⓘ
Heliumregen auf Saturn und Jupiter
Durch die Kondensation von Helium entsteht auf den Gasriesen flüssiger Heliumregen. Auf dem Saturn tritt diese Heliumkondensation bei bestimmten Drücken und Temperaturen auf, wenn sich das Helium nicht mit dem flüssigen metallischen Wasserstoff auf dem Planeten vermischt. In Regionen auf dem Saturn, in denen Helium unlöslich ist, kann das dichtere Helium Tröpfchen bilden und als Energiequelle dienen, sowohl durch die Freisetzung latenter Wärme als auch durch das Absinken in das Innere des Planeten. Diese Phasentrennung führt zu Heliumtröpfchen, die als Regen durch den flüssigen metallischen Wasserstoff fallen, bis sie eine wärmere Region erreichen, wo sie sich im Wasserstoff auflösen. Da Jupiter und Saturn unterschiedliche Gesamtmassen haben, könnten die thermodynamischen Bedingungen im Planeteninneren so beschaffen sein, dass dieser Kondensationsprozess auf Saturn stärker ausgeprägt ist als auf Jupiter. Die Heliumkondensation könnte sowohl für die übermäßige Leuchtkraft des Saturns als auch für den Heliumverlust in der Atmosphäre von Jupiter und Saturn verantwortlich sein. ⓘ
Diamantenregen auf dem Uranus
Die innere Wärme des Uranus ist sehr gering. Uranus ist der kälteste Planet im Sonnensystem mit einer oberen Atmosphärentemperatur von -224 °C. Die tiefsten Abschnitte des Mantels sind so heiß und stehen unter einem solchen Druck, dass Methan zu elementarem Kohlenstoff zersetzt wird. Diamantregen ist das mögliche Ergebnis dieses Phänomens. Weiter oben in der Atmosphäre, wo die Bedingungen milder sind, wurden Produkte aus der Photolyse von Methan (wie Acetylen und Diacetylen) nachgewiesen; in den Regionen zwischen der Diamanten-Keimbildungszone und der oberen Atmosphäre findet wahrscheinlich eine Menge interessanter organischer Chemie statt (die möglicherweise Leben ermöglicht). ⓘ
Gürtel und Zonen
Alle vier Riesenplaneten unseres Sonnensystems rotieren relativ schnell. Dies verursacht Windstrukturen, die in Ost-West-Bänder oder -streifen aufbrechen. Diese Bänder sind bei Jupiter sehr auffällig, dezenter bei Neptun und Saturn, auf Uranus hingegen kaum nachweisbar. ⓘ
Bei den in der jovianischen Atmosphäre sichtbaren Bändern handelt es sich um im Uhrzeigersinn drehende Ströme von Materie. Sie werden in Zonen und Gürtel aufgeteilt, die den Planeten parallel zum Äquator umkreisen:
- Die Zonen sind die helleren Bänder und befinden sich in der höheren Atmosphäre. Sie bilden Hochdruckgebiete mit inneren Aufwinden.
- Die Gürtel sind die dunkleren Bänder. Diese stellen Tiefdruckgebiete dar und befinden sich in der unteren Atmosphäre; in ihrem Inneren herrschen Abwinde. ⓘ
Diese Strukturen sind grob mit Hoch- und Tiefdruckzellen in der irdischen Atmosphäre vergleichbar, wobei sie sich doch erheblich von diesen unterscheiden. Im Gegensatz zu kleinen lokalen Zellen von Druckgebieten umspannen die Bänder entlang der Breitengrade (latitudinal) den ganzen Planeten. Dies scheint an der schnellen Rotation, die wesentlich höher als die der Erde ist, und der darunterliegenden Symmetrie des Planeten zu liegen: Es gibt schließlich keine Landmassen oder Gebirge, welche die schnellen Winde bremsen könnten. ⓘ
Es gibt aber auch kleinere, lokale Strukturen, etwa Flecken von unterschiedlicher Größe und Färbung. Das auffälligste Merkmal Jupiters ist der Große Rote Fleck, der seit mindestens 300 Jahren existiert. Diese Strukturen stellen gewaltige Stürme dar. Bei einigen dieser Flecken treten Gewitter auf: Astronomen haben bei etlichen dieser „Spots“ Blitze beobachtet. ⓘ