Saturn, der zweitgrößte Planet in unserem Sonnensystem, ist voller einzigartiger Merkmale. Am bekanntesten ist das eisige Ringsystem, dessen optische Wirkung von keinem anderen Planeten erreicht wird, was die populäre Darstellung des Saturn als „typischer Planet“ etwas widersinnig macht. Er ist außerdem der einzige Planet, der einen Mond mit einer dicken Atmosphäre (Titan) beherbergt, auf dem es Methan regnet, wodurch Flüsse entstehen, die in Meeren zusammenfließen. Er weist von allen Planeten des Sonnensystems die geringste mittlere Dichte auf (etwa 0,69 g/cm³). Aber das Merkwürdigste ist, dass der Saturn der einzige Planet ist, der an seinem Nordpol einen sechseckigen Sturm beherbergt.

Dieser Sturm wurde im Jahr 1981 während des Vorbeiflugs von Voyager 2 entdeckt und hat sich seitdem erhalten. Er hat einen Durchmesser von etwa 30.000 Kilometern; man könnte fast 2,5 Erden nebeneinander darin unterbringen. Der Sturm selbst hat zwei Hauptmerkmale. Erstens: Im Zentrum des Saturn-Nordpols befindet sich ein Zyklon, eine atmosphärische Struktur, die den Hurrikanen auf der Erde nicht unähnlich ist. Dieser Zyklon wird dann von einem zonalen Jet etwa 15° südlich des Pols begrenzt. Zonale Jets sind schnelle Gasbewegungen um einen Planeten auf konstanten Breitengraden und sind in jeder Atmosphäre üblich – beispielsweise werden die Streifen und Bänder der Jupiter-Atmosphäre durch verschiedene zonale Jets verursacht. Das Kuriose am nördlichsten Jet des Saturn ist jedoch, dass er nicht kreisförmig, sondern sechseckig ist.

Die Cassini-Raumsonde nahm im Jahr 2013 dieses Schwarz-Weiß-Bild des Polarwirbels des Saturn auf. Außerhalb wie innerhalb des gigantischen Hexagons wirbeln zahlreiche Stürme unterschiedlicher Intensität und Größe umher.
Quelle: NASA/JPL-Caltech/SSI

Der Grund für den sechseckigen Polarsturm des Saturn wird von den Astronomen seit langem diskutiert, wobei die Forscher zwei Hauptlager bilden. Die eine Theorie besagt, dass das Sechseck ein flaches, nur wenige Hundert Kilometer tiefes Gebilde ist, das durch sich abwechselnde Jets in turbulentem, chaotischem Gas verursacht wird. Die andere Theorie besagt, dass der Sturm Tausende von Kilometern unter der Oberfläche entsteht und durch eine Kombination aus der Rotation der Atmosphäre, hohen Drücken und anderen Wirbeln in diese ungewöhnliche Form gebracht wird.

Jüngste Beobachtungen des Saturn deuten versuchsweise darauf hin, dass die Lösung der zweiten Theorie sehr ähnlich sein könnte. Im Jahr 2017 führte Cassini ihr Großes Finale durch – das Raumschiff umkreiste den Saturn auf 22 Bahnen zwischen dem Planeten und den Ringen, bevor es in die äußere Atmosphäre eintauchte. Die Daten dieses letzten Fluges deuten darauf hin, dass die zonalen Jets des Saturn tief reichen und nicht nur oberflächliche Phänomene sind. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der Sturm bemerkenswert stabil ist und sich seit über 40 Jahren in Position und Größe kaum verändert hat. Diese Dauerhaftigkeit impliziert, dass der sechseckige Sturm eine weit in die Tiefe reichende Struktur hat, was eher für die zweite Theorie sprechen würde.

Für einen Versuch, dieses schon lang bestehende Rätsel zu lösen, entwarfen die Forscher Rakesh Yadav und Jeremy Bloxham von der Harvard-Universität eine Computersimulation der äußeren 10% der Saturn-Atmosphäre. Der Hauptunterschied zu anderen Simulationen bestand darin, dass sie die Simulation nicht mit einem bereits vorhandenen zonalen Jet begannen und auch keine der besonderen Parameter des Sechsecks in die Startbedingungen ihrer Simulation festschrieben. Stattdessen modellierten sie den äußeren Teil der Saturn-Atmosphäre unter Verwendung tiefer turbulenter kompressibler Konvektion und ließen die Simulation einfach laufen, um zu überprüfen, ob sich aus dieser Art von Strömungsphysik auf natürliche Weise etwas wie ein hexagonaler Sturm ergeben würde.

Der Cassini-Orbiter benutzte Infrarot-Bildgebung, um den atmosphärischen Dunst des Saturn zu durchdringen und mehr von der Struktur des Polarwirbels zu enthüllen. Die verschiedenen Wellenlängen der infraroten Strahlung wurden in den sichtbaren Farbbereich verschoben, um die Wolkenhöhe anzuzeigen: grün für hohe Wolken, rot für niedrige.
Quelle: NASA/JPL-Caltech/SSI

Tiefe turbulente kompressible Konvektion findet in vielschichtigen Gasen statt und die untersuchen Schichten wärmer sind als die oberen. Die Temperaturdifferenz bewirkt, dass das Gas in einer kreisförmigen Auf- und Abwärtsbewegung umherwirbelt. Das heiße, weniger dichte Gas steigt nach oben (wie wenn beim Öffnen eines Ofens das Gesicht warm wird, wenn die entweichende heiße Luft nach oben steigt) und das kühlere, dichtere Gas sinkt nach unten (wie wenn die Zehen kalt werden, wenn man einen Gefrierschrank öffnet) – dies ist der kompressible Konvektionsteil. Wenn das wärmere Gas aufsteigt, kühlt es ab und gibt Wärmeenergie an das umgebende Gas ab, wodurch es aufgewühlt wird und vor allem in der Nähe der Oberfläche turbulent wird.

Die komplexe Physik, die Yadav und Bloxham in ihr Modell eingebaut haben, führte dazu, dass ihre Simulation so lange dauerte, dass sie sie nur einmal ausführen konnten. Im Idealfall wiederholen Wissenschaftler ihre Simulationen gern, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse robust sind und die Entscheidungen beim initialen Aufbau der Simulation die Ergebnisse nicht beeinflussen. Dennoch entdeckte das Duo etwas Außergewöhnliches. Die turbulente Konvektion, kombiniert mit der Rotation des Saturn, ermöglichte die natürliche Entstehung eines mehrseitigen Strahls und eines Polarwirbels um den Nordpol!

Dieses Video aus der Simulation zeigt die Enwicklung des Wirbels. Die Farben repräsentieren die Windgeschwindigkeit, wobei violett den langsamsten und gelb den schnellsten Wind darstellt. Quelle: Yadav und Bloxham/PNAS

Die Ergebnisse der Simulation zeigen einen riesigen Wirbel, der auf dem Nordpol des Modell-Saturns sitzt. Um ihn herum befinden sich drei gegenläufige Wirbelstürme (Antizyklone), die einen näherungsweise dreieckigen Jet um den zentralen Wirbel definieren. Südlich dieser drei Antizyklonen, die sich in der gleichen Richtung wie der Riesenwirbel drehen, befinden sich viele kleinere Zyklone. Auf diese folgt ein starker Jet bei 60°N des Äquators nach Osten, mit neun Kanten. Jenseits dieses Strahls befinden sich weitere Jets und Zyklone, wobei die Jets in Richtung des Äquators kreisförmiger werden. Ein starker Polarwirbel und eckige Jets? Das klingt nach Saturn!

Diese Darstellung aus der Simulation zeigt eine Draufsicht auf den Nordpol des Saturn. Die roten Pfeile geben die Windrichtung an. Quelle: Yadav und Bloxham/PNAS

Die Simulationen zeigen, dass die polygonale Form der Jets durch umliegende Wirbel entsteht, die die Jets einklemmen. Bei genauerer Betrachtung des Bildes, fallen allerdings einige Probleme mit diesen Ergebnissen auf. Das Auffälligste ist, dass auf dem echten Saturn keine anderen Wirbel um den Zentralwirbel herum zu sehen sind. Glücklicherweise kann die Simulation diesen Unterschied erklären. Tiefer in der Atmosphäre des Modell-Saturn sind die umgebenden Wirbel sauber und gut definiert. Die oberen Schichten sind jedoch sehr turbulent und chaotisch, so dass die schwächeren Umgebungswirbel verdeckt werden. Der polare Zyklon ist sichtbar, weil die Gasströme viel stärker sind. Diese umgebenden Wirbel sind also wahrscheinlich auf dem echten Saturn vorhanden – wir können sie nur nicht sehen.

Diese vier Tafeln aus der Simulation zeigen, wie sich die Struktur der Wirbel mit der Tiefe verändert. Tafel A ist die tiefste Scheibe – etwa 2700 Kilometer unter den Wolkenkronen des Saturn – während sich D nahe der Spitze der Atmosphäre befindet. Quelle: Yadav und Bloxham/PNAS

Ein zweiter Unterschied besteht darin, dass der Strahl um den Polarwirbel in der Simulation ziemlich schwach ist (auf den Bildern und Videos fast nicht zu sehen) und drei Seiten hat, nicht sechs. Obwohl er viel besser definiert ist, hat der nachfolgende Strahl neun Seiten und sitzt 15° tiefer in der Breite als der sechseckige Strahl des Saturn. Es ist jedoch unbedingt zu bedenken, dass dies das Ergebnis nur einer einzigen Simulation ist. Eine Änderung der Gasgeschwindigkeiten oder eine Modellierung, die tiefer als nur die äußeren 10% der Saturnatmosphäre geht, könnte diese Probleme lösen und sechs große Wirbel um den Polarsturm herum erzeugen, die dem Strahl die erwartete sechseckige Form geben.

Interessanterweise bildet die Simulation auch das Fehlen eines sechseckigen Sturms auf der Südhalbkugel des Saturn nach. In einigen südlichen Jets gibt es eine begrenzte polygonale Struktur, aber Cassinis Beobachtungen stimmen damit überein. Der Grund für diesen Gegensatz an den Polen ist nicht klar, aber mit den für die Zukunft geplanten Simulationen könnte die Lösung schon bald deutlich werden.

Obwohl die Simulationsergebnisse nicht perfekt sind, zeigt diese neue Studie, dass mehrseitige Jets und ein starker Polarwirbel auf natürliche Weise in der Atmosphäre des Saturn entstehen können. Tiefe turbulente kompressible Konvektion erzeugt Wirbel, die von den oberen Schichten der Saturn-Atmosphäre verdeckt werden und tiefe zonale Jets zu mehrseitigen Strahlen zusammendrücken und formen. Dies erklärt die Haltbarkeit des ungewöhnlichen Sturms. Wie die Theorie vermutete, weist er in der Tat eine tief in die untere Atmosphäre reichende Struktur auf.

Titelbild: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute