Stormmoln rotade djupt i Jupiters atmosfär påverkar planetens vita zoner och färgglada bälten, skapa störningar i deras flöde och till och med ändra deras färg.

Tack vare samordnade observationer av planeten i januari 2017 av sex markbaserade optiska teleskop och radioteleskop och NASA:s Hubble Space Telescope, ett University of California, Berkeley, astronomen och hennes kollegor har kunnat spåra effekterna av dessa stormar – synliga som ljusa plymer ovanför planetens ammoniak-ismoln – på bältena där de uppträder.

Observationerna kommer i slutändan att hjälpa planetforskare att förstå den komplexa atmosfäriska dynamiken på Jupiter, som, med sin stora röda fläck och färgglada, lager kakliknande band, gör den till en av de vackraste och mest föränderliga av de gigantiska gasplaneterna i solsystemet.

En sådan plym upptäcktes av amatörastronomen Phil Miles i Australien några dagar före de första observationerna av Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) i Chile, och foton som tagits en vecka senare av Hubble visade att plymen hade gett upphov till en andra plym och lämnat en störning nedströms i molnbandet, södra ekvatorialbältet. De stigande plymerna samverkade sedan med Jupiters kraftfulla vindar, som sträckte ut molnen öster och väster från deras ursprungspunkt.

Tre månader tidigare, fyra ljuspunkter sågs något norr om norra ekvatorialbältet. Även om dessa plymer hade försvunnit 2017, bältet hade sedan dess vidgats norrut, och dess norra kant hade ändrat färg från vit till orangebrun.

"Om dessa plymer är kraftiga och fortsätter att ha konvektiva händelser, de kan störa ett av dessa band med tiden, även om det kan ta några månader, " sa studieledaren Imke de Pater, en UC Berkeley professor emerita i astronomi. "Med dessa observationer, vi ser en plym på gång och efterverkningarna av de andra."

Analysen av plymerna stödjer teorin att de har sitt ursprung cirka 80 kilometer under molntopparna på en plats som domineras av moln av flytande vatten. En artikel som beskriver resultaten har godkänts för publicering i Astronomisk tidskrift och är nu online.

In i stratosfären

Jupiters atmosfär består till största delen av väte och helium, med spårmängder av metan, ammoniak, vätesulfid och vatten. Det översta molnskiktet består av ammoniakis och består av de bruna bälten och vita zoner vi ser med blotta ögat. Under detta yttre molnlager sitter ett lager av fasta ammoniumhydrosulfidpartiklar. Ännu djupare, cirka 80 kilometer under det övre molndäcket, är ett lager av flytande vattendroppar.

Stormmolnen som de Pater och hennes team studerade visas i bälten och zoner som ljusa plymer och beter sig ungefär som cumulonimbusmolnen som föregår åskväder på jorden. Jupiters stormmoln, som de på jorden, åtföljs ofta av blixtar.

Optiska observationer kan inte se under ammoniakmolnen, dock, så de Pater och hennes team har sonderat djupare med radioteleskop, inklusive ALMA och även Very Large Array (VLA) i New Mexico, som drivs av National Science Foundation-finansierade National Radio Astronomy Observatory.

ALMA arrays första observationer av Jupiter gjordes mellan 3 och 5 januari 2017, några dagar efter att en av dessa ljusa plymer sågs av amatörastronomer i planetens södra ekvatorialbält. En vecka senare, Hubble, VLA, Tvillingarna, Keck och Subaru observatorier på Hawaii och Very Large Telescope (VLT) i Chile tog bilder i det synliga, radio- och mellaninfraröda räckvidder.

De Pater kombinerade ALMA radioobservationer med andra data, fokuserade specifikt på den nybryggda stormen när den slog igenom de övre däcksmolnen av ammoniakis.

Data visade att dessa stormmoln nådde så högt som tropopausen - den kallaste delen av atmosfären - där de spreds ut ungefär som de städformade cumulonimbusmolnen som genererar blixtar och åska på jorden.

"Våra ALMA-observationer är de första som visar att höga koncentrationer av ammoniakgas uppstår under ett energiskt utbrott, sa de Pater.

Observationerna överensstämmer med en teori, kallas fuktig konvektion, om hur dessa plymer bildas. Enligt denna teori, konvektion ger en blandning av ammoniak och vattenånga tillräckligt hög - cirka 80 kilometer under molntopparna - för att vattnet ska kondensera till vätskedroppar. Det kondenserande vattnet avger värme som expanderar molnet och lyfter det snabbt uppåt genom andra molnlager, slutligen bryta igenom ammoniak-ismolnen på toppen av atmosfären.

Plymens momentum bär det underkylda ammoniakmolnet ovanför de befintliga ammoniak-ismolnen tills ammoniaken fryser, skapa en ljus, vit plym som sticker ut mot de färgglada banden som omger Jupiter.

"Vi hade verkligen tur med dessa uppgifter, eftersom de togs bara några dagar efter att amatörastronomer hittade en ljus plym i södra ekvatorialbältet, sade de Pater. Med ALMA, vi observerade hela planeten och såg den där plymen, och eftersom ALMA sonderar under molnskikten, vi kunde faktiskt se vad som pågick under ammoniakmolnen."

Hubble tog bilder en vecka efter ALMA och fångade två separata ljuspunkter, vilket antyder att plymer härstammar från samma källa och förs österut av jetströmmen på hög höjd, leder till de stora störningar som ses i bältet.

Av en slump, tre månader innan, ljusa plymer hade observerats norr om norra ekvatorialbältet. Observationerna från januari 2017 visade att bältet hade expanderat i bredd, och bandet där plymerna först hade setts förvandlades från vitt till orange. De Pater misstänker att norra ekvatorialbältets expansion norrut är ett resultat av att gas från de ammoniakutarmade plymerna faller tillbaka i den djupare atmosfären.

De Paters kollega och medförfattare Robert Sault från University of Melbourne i Australien använde speciell datormjukvara för att analysera ALMA-data för att få radiokartor över ytan som är jämförbara med bilder i synligt ljus som tagits av Hubble.

"Jupiters rotation en gång var tionde timme gör vanligtvis radiokartor suddiga, eftersom dessa kartor tar många timmar att observera, " sa Sault. "Dessutom, på grund av Jupiters stora storlek, vi var tvungna att "skanna" planeten, så vi kunde göra en stor mosaik till slut. Vi utvecklade en teknik för att konstruera en fullständig karta över planeten."