Planeet Jupiter

Inleiding Wij kregen voor de kerstvakantie de opdracht om voor het vak ANW een werkstuk te gaan maken over iets uit het heelal. Wij kozen voor het onderwerp Jupiter. Hier hadden we in het boek al iets over geleerd. En voor ons stond vast dat we het over een planeet wilden gaan hebben. Jupiter vonden we een mooie en interessante planeet en we waren gefascineerd door de eeuwig durende stormen, de Grote Rode Vlek. Er was ook veel informatie over dit onderwerp te vinden en dit kon het maken van het werkstuk vergemakkelijken. Nadat we naar informatie hadden gezocht en dit hadden bekeken moesten we de onderzoeksvragen op gaan stellen. Wij hebben de volgende vragen bedacht: 1 Welke verschijnselen op en rond Jupiter zijn er waar te nemen? 2 Hoe ziet de atmosfeer van Jupiter eruit en wat is het belang van de inhoud van de atmosfeer? 3 Wat weten we van de manen van Jupiter? Het denken over hoe we de onderzoeksvragen het beste konden opstellen was wel moeilijk want omdat er duidelijk gezegd was dat er diepgang in moest zitten kon je niet zomaar een vraag stellen waar maar 1 antwoord op was. En zo zijn we op deze vragen gekomen. Het werkstuk zit als volgt in elkaar: Wij hebben hem ingedeeld in hoofdstukken. Elk hoofdstuk bevat 1 onderwerp. Aan het einde van alle hoofdstukken staat een conclusie waarin we geprobeerd hebben de antwoorden op de onderzoeksvragen te geven. Ook hebben we onze mening gegeven, er is een logboek en een bronvermelding. We hopen dat een ieder die dit werkstuk leest er veel plezier aan zal beleven. Jupiter in het algemeen In de prehistorische tijd was Jupiter al bekend. Ze was de eerste planeet in het zonnestelsel waarvan de mens het oppervlak zag. Galileo zag deze in 1609 door zijn zelfgemaakte kijkertje. Maar Jupiter was niet het enige wat hij zag, ook ontdekte hij 4 manen van Jupiter: Io, Europa, Ganymedes en Callisto. Later werden zij Galileische manen genoemd. Ook zag Galileo de ringen van Jupiter. Jupiter is de vijfde planeet vanaf de zon en de grootste van alle planeten samen, een reuzenplaneet. Ze lijkt meer op een zon dan op een planeet, alleen treden er geen kernreacties op in het centrum van de planeet zoals bij de zon. Jupiter heeft meer dan twee keer het gewicht van alle planeten samen. Dat is 318 keer de massa van de aarde. Ook is ze 11 keer groter dan de aarde en het volume van Jupiter is 1400 keer groter. De aarde kan dan ook 1316 keer in Jupiter. Toch is haar dichtheid kleiner, dat komt omdat haar buitenste lagen en misschien ook de kern bestaan uit waterstof. Jupiter is het vierde helderste object aan de hemel, maar soms is Mars helderder dan Jupiter. Ze bestaat voornamelijk uit waterstof en helium, net als bij de zon. Verder bestaat ze in geringe mate nog uit water, ammoniak en methaan. In de buitenste laag van de planeet, die zeer snel om haar eigen as draait, treden woeste taferelen op. Er zijn stormen en cyclonen, zoals de Grote Rode Vlek, waar we later dieper op in gaan. De temperaturen aan de bovenkant van de wolkenlagen gaan van -120 graden tot 0 graden Celsius in de onderste lagen. De kleuren van Jupiter worden veroorzaakt door allerlei scheikundige verbindingen in de wolkenlagen die ontstaan bij die verschillende temperaturen. Jupiter is een van de vier gasplaneten en dat wil zeggen dat ze geen vast oppervlak heeft. Het gas waaruit ze bestaat wordt dichter naarmate men dieper afdaalt in de planeet. Men gaat er vanuit dat de straal en de diameter van de gasplaneten overeenkomt met de plaats waar de druk gelijk is aan 1 atmosfeer.
De inhoud en atmosfeer van Jupiter Jupiter is een gasachtige planeet, net als Saturnus, Uranus en Neptunus. Ze bestaat dan ook voor 82% uit waterstof en voor 17% uit helium. De overige 1% bestaat uit andere elementen zoals water, ammoniak, methaan en gesteenten. Dit lijkt veel op de samenstelling van de primaire zonnenevel waaruit het volledige zonnestelsel is gevormd. Deze samenstelling is waarschijnlijk ongewijzigd sinds het ontstaan van Jupiter. Dit betekent ook dat de atmosfeer van Jupiter nu nog lijkt op die van de aarde van zo’ n 4,5 miljard jaar geleden. In zo’ n atmosfeer kunnen ook aminozuren gevormd worden. Het is ook mogelijk dat dat al gebeurd is. Omdat er nu op Jupiter processen plaats vinden die zo’ n 4,5 miljard geleden ook op de aarde voorkwamen, zouden er moleculen gevormd kunnen worden die nodig zijn voor het ontstaan van leven. Jupiter heeft waarschijnlijk een kern die bestaat uit gesteenten van ongeveer 10 tot 15 aardmassa’ s. En ook zijn er sporen van waterstof. Daarom is de dichtheid van Jupiter ook kleiner. Boven de kern zit het grootste gedeelte van de massa in de vorm van vloeibaar metallisch waterstof. Dit is alleen mogelijk wanneer er een druk van 4 miljoen bars is, wat een vrij extreme omstandigheid is. Dit is dan ook in het binnenste van Jupiter het geval. De waterstof in het binnenste van Jupiter is vloeibaar. Dit komt door de temperatuur en de druk die er is in Jupiter. De buitenste laag van Jupiter bestaat voornamelijk uit moleculair waterstof en helium. Water, methaan, koolstofdioxide en andere moleculen zijn in mindere hoeveelheid aanwezig. Dit is tot tegenstelling met de binnenste laag van Jupiter gasvormig. De atmosfeer is de top van deze laag. Jupiter heeft drie verschillende wolkenlagen die waarschijnlijk bestaan uit ammoniakwaterstofsulfide en een mengsel van water en ijs. Wanneer je naar Jupiter kijkt met een eenvoudige telescoop zie je een dikke wolkenlaag in de atmosfeer. Daarin zie je donkere en lichte banden evenwijdig aan de evenaar. Ook zie je de Grote Rode Vlek. Na een uitgebreide bestudering door de Voyagers (1 en 2) bleek dat er nog meer details aanzitten. Zo zijn er ook nog witte en bruine vlekken op Jupiter, golfpatronen op de scheidingslagen en ‘pluimen’ in het equatoriale gebied. De Grote Rode Vlek in de atmosfeer Het is niet helemaal duidelijk wie de GRV ontdekt heeft, Cassini of Robert Hooke in de 17e eeuw. Wat wel duidelijk is, is wat de Grote Rode Vlek (GRV) is: het is een storm die al eeuwen op Jupiter raast. De GRV bestaat uit waterstof, helium en een kleine hoeveelheid secundaire gassen. Witte wolken van bevroren ammoniakkristallen wervelen samen met witte wolken van andere samenstellingen in stromen door de atmosfeer. Hierbij worden ze gestuurd door de draaiing van de planeet. De GRV is te vinden in de atmosfeer van Jupiter en is zelfs te zien met een eenvoudige telescoop. Ze wordt al 300 jaar bekeken via de aarde en geobserveerd door deskundigen. De GRV heeft een ovale vorm van ± 12.000 km op 25.000 km. Dit is twee keer de omvang van de aarde. De GRV steekt een eind uit boven de atmosfeer. De witte vlekken en de GRV zijn meteorologisch gezien gelijk. Ze hebben namelijk een dezelfde draaikolkachtige beweging, een opeenhoping van materiaal aan de westkant en ze hebben een wisselwerking met kleinere witte vlekken. De vlekken zijn te vergelijken met een soort stormsystemen: materialen stijgen wervelend op uit de diepere lagen van de atmosfeer. Het enige verschil tussen de witte vlekken de GRV is de omvang. De GRV heeft namelijk een omvang van 222.000km bij 112.000km ( dit kan inmiddels veranderd zijn). In de loop der jaren is de GRV in zijn omvang en in zijn kracht veranderd. Er waren zelfs tijden dat de GRV niet eens te zien was gedurende enkele jaren. De ringen van Jupiter Jupiter’ s ringen zijn ontdekt door NASA ‘s Voyager1 in 1980. En ze zijn verder onderzocht toen Voyager 2 langs Jupiter vloog. De ringen van Jupiter zijn ontstaan door de inslag van meteoren op de vier kleine manen met een lage zwaartekracht: Thebe, Amalthea, Adrastea en Metis. Ze bestaan uit het stof dat daarbij in de ruimte werd geslingerd en naar Jupiter toe werd getrokken in ronde spiraalbanen. In 1985 werd ontdekt dat er aan de buitenkant, naast dat heldere gedeelte een veel zwakker gedeelte is. Deze is waarschijnlijk niet gevormd tijdens de vorming van Jupiter, maar bevind zich in een toestand tussen een steeds durende toe- en aanvoer van nieuw materiaal van buitenaf zoals meteorieten, brokstukken van kometen en materie die afgeslagen is van Jupiter’ s manen of uit Io’ s vulkanische uitbarstingen. Jupiter’ s ringen zijn onderverdeeld in 3 secties: de Halo, de Main ring en de Gossamer Ring. De Halo is een zwakke, wijde ring in de vorm van een donut. Het is ongeveer 22.800 km wijd en ongeveer 20.000km breed. Deze ring begint op 100.000 km van het midden van Jupiter. De andere kant van de Halo gaat over in de Main ring. De Main ring is 6400 km wijd en minder dan 30 km dik. De ring is zo’ n 7.000 km wijd en begint op 122.800 km van het midden van Jupiter. Twee kleine manen, Adrastea en Metis, draaien in de baan van de Main ring. Ze zijn waarschijnlijk de oorzaak van het stof in deze ring. De Gossamer ring bestaat uit afzonderlijke ringen, die in elkaar overlopen. Deze ringen zijn erg zwak en hebben een zeer wijde ring. Het bestaat uit zeer kleine deeltjes, de microscopische overblijfsels van de manen, Amalthea en Thebe. De Gossamer ring begint op 129.000 km van het midden van Jupiter. De ringen van Jupiter zijn bij elkaar 30 km dik en het heldere gedeelte is 800 km breed aan de buitenkant. Aan de binnenkant zit het zwakkere gedeelte van 2500 km. De manen van Jupiter Tot nu toe zijn er 17 manen van Jupiter ontdekt. De laatst ontdekte, in augustus 2000, heeft nog geen naam. Ze wordt ook wel S/1999 J 1 genoemd. De andere 16 zijn, vanaf de dichtstbijzijnde tot de verst weg staande vanaf Jupiter: Metis, Adrastea, Amalthea, Thebe, Io, Europa, Ganymedes, Callisto, Leda, Himalia, Lysithea, Elara, Ananke, Carme, Pasiphae, Sinope. Io, Europa, Ganymedes en Callisto worden ook wel de Galileische manen genoemd en ze zijn door Galileo al in 1610 ontdekt. En deze ontdekking was de eerste ontdekking van een beweging van hemellichamen rond een ander middelpunt dan de aarde. Hiermee werd de opvatting van Copernicus bewezen. Maar dit was wel in strijd met de denkbeelden van de Katholieke Kerk. Omdat de Galileische manen de belangrijkste zijn, gaan we daar wat dieper op in. De banen van de vier Galileische satellieten hebben een zeer geringe helling ten opzichte van Jupiter. Regelmatig worden ze verduisterd door Jupiter ’s schaduw of verdwijnen achter de planeet. Andere keren trekken ze voor de planeet langs, soms samen met hun schaduw op het wolkendek. De vier Galileische planeten met hun kenmerken: Io Io lijkt qua kleur en uiterlijk op een pokdalige sinaasappel. De kraters op het oppervlak zijn geen inslagkraters, maar zijn gevormd door vulkanische uitbarstingen. De vulkanische uitbarstingen hebben elk pluimen, bestaande uit zwavel en zwavelverbindingen, van 100 a 200 km hoog

De lichte ringvormige structuren rond de kraters ontstaan doordat het zwavel op grotere hoogten kristalliseert en terugsneeuwt naar Io’ s oppervlak. Er zijn ook stromingen van lava waargenomen, die vermoedelijk uit gesmolten zwavel bestaan. Het vulkanisme ontstaat door de warmte die wordt opgewekt doordat Io steeds in verschillende richtingen wordt uitgerekt als gevolge van de getijdenwerking. Jupiter heeft een geen constante aantrekkingskracht op Io. Aan de zijde van Io die naar Jupiter is gekeerd is de zwaartekracht sterker dan aan de andere zijde van Io. In 1989 werd vanaf de aarde een negende werkende vulkaan op Io ontdekt. Europa Europa bestaat voornamelijk uit een silicaatkern en een korst van ijs, waarschijnlijk variërend in dikte tussen 10- 50 km. Europa zit vol barsten, lange donkere lijnen van ongeveer 10 km. breed, en richels, enkele honderden meters diep en hoog. De barsten zijn waarschijnlijk veroorzaakt door uitzetting van de korst, waarna ze opgevuld zijn met het onder ijs liggende donkerder materiaal. Omdat de structuur van Ganymedes en Callisto veel op elkaar lijkt schrijven we een stukje over deze 2 planeten samen. Ganymedes en Callisto Deze 2 manen bestaan uit een mengsel van steen en ijs, en hun oppervlakten vertonen heel veel inslagkraters, vooral Callisto. Beide manen hebben een groot concentrisch ringenstelsel. Beide manen hebben een zachte ijskorst gehad in hun eerste ontwikkelingsfase. Radiostraling en magneetveld Het magneetveld veld van Jupiter is veel sterker dan dat van de aarde. Zijn magnetosfeer is langer dan 650 miljoen km. Dit houdt in dat de manen van Jupiter binnen de magnetosfeer liggen en dat verklaart een stuk activiteit op Io. De omgeving van Jupiter bestaat uit hoge energierijke deeltjes veroorzaakt door het magneetveld van Jupiter. Galileo ontdekte een nieuwe stralingsgordel tussen een ring van Jupiter en de bovenste lagen van de atmosfeer en deze bevat hoog energierijke heliumionen, waarvan de oorsprong onbekend is. In het magneetveld kan men een paar gebieden onderscheiden: een binnenste gedeelte (tot 10 Jupiterstralen), een middengedeelte (10- 30 Jupiterstralen) en een gebied dat verder weg ligt dan 30 Jupiterstralen. In 1955 werd voor het eerst radiostraling van Jupiter waargenomen met een golflengte van 13,6 m. Dat is de decameterstraling. De straling (bursts) hangt af van de plaats van de maan Io in haar baan en ze is erg onregelmatig
De radiogolven worden waarschijnlijk opgewekt door elektrische ontladingen boven in de atmosfeer en ionosfeer. De straling heeft golflengten van langer dan ongeveer 7,5 m. of korter dan 40 MHz. Straling met frequenties kleiner dan 20-25 MHz kan vanaf de aarde nooit waargenomen worden omdat de ionosfeer van de aarde haar erg beïnvloedt. De Voyager- ruimtevaartuigen hebben behalve deze straling ook kilometerstraling (1-10 kHz) waargenomen, die waarschijnlijk in een gebiedje rond Io wordt opgewekt. In mei 1956 werd Jupiter voor het eerst waargenomen op een golflengte van ongeveer 3 cm. Later waren er hoge temperaturen te vinden van soms wel 702000 K. Door deze hoge temperaturen veronderstelde men dat op golflengten korter dan 6 cm. thermische straling van Jupiter ontvangen wordt en dat op langere golflengten niet- thermische (synchrotronstraling) overheerst. Deze straling komt van elektronen, die zich in een stralingsgordel rond Jupiter bevinden met een afmeting van driemaal de straal van Jupiter zelf. Door deze waarnemingen heeft men kunnen afleiden dat Jupiter’ s magneetveld op dat van een dipool lijkt, waarvan de as naar het noorden gericht is en een hoek van 10C met de rotatie- as maakt.. De sterkte van ongeveer 10 gauss aan het oppervlak heeft men uit de decameterstraling bepaald. De meeste stralende elektronen zouden zich in het magnetische equatorvlak bevinden. Dit hebben de Pioneer 10 en 11 bevestigd. Uit de in eind 1977 waargenomen beelden door een telescoop blijkt het multipole karakter van Jupiter. Er blijkt een gebied te zijn in de stralingsgordels waar de straling relatief hoog is. Een verklaring hiervoor is nog niet gevonden. Zoals ook de aarde heeft Jupiter een boegschok aan de zonzijde, die ontstaat uit de wisselwerking van de zonnewind met het magneetveld. De zonnewind wordt plotseling afgeremd en rond het veld gebogen en dit overgangsgebied wordt de magneto- sheath genoemd en is heel duidelijk van Jupiter ’s veld afgesloten door de magnetopauze, op een afstand van 50 a 100 Jupiterstralen van Jupiter. Omdat deze grens ligt op de plaats waar de druk van de zonnewind precies gelijk is aan die van het magneetveld, varieert deze grens met de sterkte van de zonnewind. Uitgezonden straling Jupiter zendt tweemaal zoveel straling uit als dat hij van de zon krijgt. De temperatuur van zijn oppervlak is 127 K. Hieruit kunnen we afleiden dat er een interne energiebron aanwezig is, die vrijwel zeker van gravitationele aard zal zijn. Als bij de evolutie van Jupiter de temperatuur niet 502000 K zou zijn geweest, maar 10 keer hoger dan zou Jupiter de 2e zon in ons zonnestelsel zijn en dan zouden er kernreacties zijn begonnen. Bij contractie daarna van de buitenste delen koelt Jupiter weer af. Het kan zijn dat Jupiter nog steeds in deze afkoelingsfase verkeert en snel genoeg contraheert om de extra hoeveelheid uitgezonden straling te verklaren. Het kan ook zo zijn dat de straling veroorzaakt wordt door verlies van interne energie, ontstaan bij een snelle contractie in het verleden.
Sondes, ruimtevaarttuigen en andere instrumenten bij het waarnemen van Jupiter Om alle informatie en gegevens de verzamelen zijn er verschillende ruimtetuigen, sondes en telescopen die waarnemingen hebben gedaan en soms nog steeds doen, ook overdag. Het waarnemen en fotograferen van Jupiter is door zijn grootte en helderheid aan de hemel redelijk eenvoudig. De Pioneer 10 nam Jupiter voor het eerst waar in 1973. Hierna volgden de Pioneer 11, de Voyager 1 en 2 en ook de Ulysses heeft waarnemingen gedaan. Op dit moment bevindt de sonde Galileo zich in een baan rond Jupiter. De Pioneer 10 werd op 2 maart 1972 gelanceerd. Ze is als eerste ruimtetuig door de asteroïdengordel heen gevlogen en heeft ook als eerste foto’ s gemaakt van Jupiter. De Pioneer 10 is ondertussen buiten ons zonnestelsel gevlogen en zit nu op 7 miljard km van de aarde verwijderd. Over 2 miljoen jaar zal ze arriveren bij de eerste ster in het sterrenbeeld de Stier. De Pioneer 11 werd op 5 april 1973 gelanceerd. Ze is langs Jupiter gevlogen. In 1995 heeft men het contact met de Pioneer 11 verloren. Ze zal over 4 miljoen jaar arriveren bij de eerste ster van het sterrenbeeld de Adelaar. De Voyager 1 werd in september 1977 gelanceerd. Ze is langs Jupiter gevlogen en verricht nu metingen van de zon. De Voyager 2 is gelanceerd in augustus 1977. Ook zij is langs Jupiter gevlogen en ze bevindt zich op dit moment buiten ons zonnestelsel. De Galileo- sonde werd op 18 oktober 1989 door de spaceshuttle Atlantis gelanceerd. De reis van deze sonde van de aarde naar Jupiter duurde ongeveer 6 jaar. Op 7 december 1995 kwam Galileo aan bij Jupiter en kreeg Jupiter haar 1e kunstmaan. Aan boord van de Galileo zijn vier instrumenten: de UVS, de SSI, de PPR en de NIMS. Door de metingen van Galileo hebben we veel informatie verkregen. We zijn er bijvoorbeeld achter gekomen dat de winden die op Jupiter razen veel heviger zijn dan verwacht. Conclusie Jupiter is een planeet waar veel over te vertellen valt. Wij willen nu graag een antwoord geven op de door ons gestelde onderzoeksvragen in de inleiding
Welke verschijnselen op en rond Jupiter zijn er waar te nemen? De belangrijkste waarneming is de eeuwige storm, ook wel GRV genoemd. Ze is te vinden in de atmosfeer. Jupiter vertoont veel kleuren en gebieden. Dit is te verklaren door allerlei scheikundige verbindingen die plaatsvinden in de wolkenlagen, die ontstaan bij verschillende temperaturen. De GRV vertoont veel overeenkomsten met de witte vlekken. Jupiter heeft een dikke wolkenlaag die bestaat uit 3 delen. Die is duidelijk te zien vanaf de aarde. Jupiter bezit een ringenstelsel, die ook uit 3 delen bestaat. Deze is waarschijnlijk ontstaan door de inslag van meteoren op de vier kleine manen Thebe, Amalthea, Adrastea en Metis. De ringen bestaan uit het stof, wat daarbij de ruimte in werd geslingerd. Rond Jupiter draaien minimaal 17 manen. Jupiter heeft een sterk magneetveld en ze zendt radiostraling uit. Maar niet alleen radiostraling, ook energie, tweemaal zoveel als dat hij van de zon krijgt. Het blijkt dus dat er genoeg verschijnselen op Jupiter zijn om nader te onderzoeken. Dat wordt dan ook volop gedaan. Maar er kunnen ook verschijnselen zijn die nog niet vanaf de aarde of vanuit 1 van de ruimtevaarttuigen gezien zijn. Men blijft ook kijken naar nog niet eerder vertoonde verschijnselen. Hoe ziet de atmosfeer van Jupiter eruit en wat is het belang van de inhoud van de atmosfeer? Wat weten we van de manen van Jupiter? Tot nu toe zijn er 17 manen van Jupiter ontdekt. De laatste in augustus 2000. De eerste vier manen van Jupiter zijn door Galileo ontdekt en worden ook wel Galileische manen genoemd. Ze heten: Io, Europa, Ganymedes en Callisto. Er is over deze manen meer bekend dan over de andere manen van Jupiter. Ganymedes en Callisto lijken qua uiterlijk veel op elkaar. Ze hebben beide veel inslagkraters en hebben een groot concentrisch ringenstelsel. Het belangrijkste kenmerk van Europa zijn de vele barsten die er in het oppervlak zitten. Io bezit een aantal kraters, gevormd door vulkanische uitbarstingen. Het aantal ontdekte manen is in de loop van de tijd toegenomen en ook de kennis ervan. Toch kan het zo zijn dat er nog manen zijn die nog niet ontdekt zijn. De tweede onderzoeksvraag luidde zo: Hoe ziet de atmosfeer van Jupiter eruit en wat is het belang van de inhoud van de atmosfeer? Ons antwoord daarop luidt: Wanneer je naar Jupiter kijkt zie je een dikke wolkenlaag in de atmosfeer. Daarin zie je donkere en lichte banden evenwijdig aan de evenaar. Ook zie je de Grote Rode Vlek. Ook zijn er ook nog witte en bruine vlekken op Jupiter, golfpatronen op de scheidingslagen en pluimen in het equatoriale gebied. Tijdens het maken van dit werkstuk hebben we er veel van geleerd. Het bleek dan ook dat we er eigenlijk niet zo veel vanaf wisten. Dit kwam overigens goed uit omdat het de bedoeling is dat je door een werkstuk je kennis vergroot. En dat is zeker gelukt. Het viel niet mee om alle informatie bij elkaar samen te vatten, dit nam veel tijd in beslag. Wat ons opviel was dat er bij veel informatie het woord ‘ waarschijnlijk’ in voor kwam. Er is blijkbaar nog veel niet zeker. Er moet nog veel onderzoek gedaan worden om (bijna) alles te weten te komen.