In der Serie “Fragen zur Astronomie” geht es heute zur Abwechslung mal um die Planeten. In unserem Sonnensystem unterscheiden wir da ja zwei grundlegend unterschiedliche Typen. Einmal sind da die eher kleinen Gesteinsplaneten, die eine feste Oberfläche und eine vergleichsweise dünne bzw. gar keine Atmosphäre haben. Dazu gehören Merkur, Venus, Mars und die Erde. Und dann gibt es noch Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun: Die Gasriesen, die viel größer und massereicher sind und im Prinzip komplett aus Gas bestehen und keine feste Oberfläche. Oder vielleicht doch? Eine Frage, auf die ich immer wieder stoße lautet: Haben Planeten wie Jupiter oder Saturn eine feste Oberfläche? Oder anders gefragt: Steckt irgendwo unter dem ganzen Gas doch noch ein fester Kern?
Wie so oft lautet auch hier die Antwort: Vielleicht! Über den inneren Aufbau von Planeten wie Jupiter und Saturn gibt es zwar viele (gute) Vermutungen. Aber es ist nicht einfach, in den Kern eines Planeten zu sehen. Das ist schon auf der Erde schwierig genug und hier haben wir den großen Vorteil, dass wir direkt vor Ort sind und in Ruhe alle möglichen Messungen anstellen können. Jupiter, der nächstgelegene Gasriese, ist verdammt weit weg und dementsprechend schwer zu erforschen.
Wir wissen auf jeden Fall wie groß Jupiter ist und wir kennen auch seine Masse. Das lässt sich auch durch Beobachtungen von der Erde sehr einfach bestimmen. Aus Masse und Größe folgt direkt seine mittlere Dichte und die beträgt 1,3 Gramm/Kubikzentimeter. Das ist deutlich weniger als die mittlere Dichte der Erde, die 5,5 Gramm/Kubikzentimeter beträgt. Daraus können wir schon mal schließen, dass ein Großteil des Jupiters aus Material besteht, dass kein festes Gestein oder Metall ist. Das bestätigen auch die Messungen, die wir mit dem Licht anstellen können, das aus seinen äußeren Gasschichten reflektiert wird. Eine (spektroskopische) Analyse dieses Lichts sagt uns, dass der Hauptteil dieser Materie leichter Wasserstoff sein muss: Dieses Gas macht fast 75 Prozent der Gesamtmenge aus. Die restlichen 25 Prozent bestehen fast komplett aus dem Gas Helium und in ganz geringen Mengen findet man auch noch andere Gase wie Methan oder Ammoniak. Und Spuren aller möglichen anderen Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff, und so weiter.
Die obersten Wolkenschichten sind etwa 50 Kilometer dick. Was darunter vor sich geht, kann man nur indirekt herausfinden. Einerseits aus diversen theoretischen Modellen über die Entstehung und Entwicklung von Planeten und aus dem, was wir über das Verhalten diverser Gas bei verschiedenen Temperaturen und Drücken wissen. Andererseits aus den Messungen von Raumsonden, die bei ihrem Vorbeiflug genau feststellen können, wie stark sie von Jupiter angezogen werden. Die Stärke dieser Anziehungskraft und vor allem die Art und Weise wie sie sich beim An- und Vorbeiflug ändert lässt ebenfalls Rückschlüsse auf das Innere des Planeten zu.
Wir wissen, dass der ganze Rest unter der obersten Wolkenschicht auf jeden Fall nicht völlig anders zusammengesetzt sein kann. Auch die weiter innen liegenden Regionen von Jupiter müssen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestehen, denn ansonsten könnte der Planet nicht seine geringe mittlere Dichte von 1,3 Gramm/Kubikzentimeter erreichen. Ungefähr 71 Prozent seines Inneren bestehen ebenfalls aus Wasserstoff, knapp 24 Prozent sind Helium und etwa 5 Prozent bestehen aus anderen Elementen.
Unter der äußersten Schicht, die im wesentlichen aus gasförmigen Wasserstoff besteht, befindet sich eine dicke Schicht, die aus flüssigem Wasserstoff gebildet wird. Man darf sich das aber nicht so vorstellen, wie Wolken, die über einem großen Ozean schweben! Ob ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist, wird von der Temperatur und dem Druck der Umgebung bestimmt. Im Alltag sind wir daran gewöhnt, das ein Stoff immer einen ganz konkreten klar definierten Zustand hat. Aber das muss nicht immer so sein: Sind Temperatur und Druck hoch genug, wird irgendwann der sogenannte kritische Punkt überschritten. Der Unterschied zwischen “flüssig” und “gasförmig” hört dann auf zu existieren und man nennt diesen Zustand dann “superkritisch”. Bei Jupiter (und anderen Gasplaneten) ist genau das der Fall: Weiter außen, wo Temperatur und Druck noch niedrig sind, ist der Wasserstoff noch gasförmig. Da aber weiter innen der kritische Punkt überschritten wird, gehen auch die gasförmige und die flüssige Phase kontinuierlich ineinander über und es gibt keine klar definierte Grenzfläche.
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