IJzerregens en snoeiharde stormen: op verre planeten is het weer vaak onmogelijk

Astronomie De natuurkunde van het weer werkt op andere planeten hetzelfde als op aarde. Maar de omstandigheden zijn volkomen verschillend. Water dat als regen uit de lucht valt is er nooit gezien.

Illustratie Floor van het Nederend

In de ochtend breekt de zon door en het wordt zo’n 2.400 graden Celsius. Het blijft overal droog. In de avond neemt de bewolking geleidelijk toe en is er kans op een bui van gesmolten ijzer, gepaard met windstoten van 11.800 kilometer per uur.

Zo zou een weerbericht eruit zien op WASP-76b, een planeet in een ander zonnestelsel, hier ongeveer zeshonderd lichtjaar vandaan.

Het universum kent talloze planeten met onleefbare hoosbuien. Zo regent het op WASP-76b dus vermoedelijk ijzer. En ook dichterbij, in ons eigen zonnestelsel, is het weer niet overal prettig. Onze kosmische buurvrouw Venus heeft giftige zwavelwolken en Mars is soms weken compleet gehuld in een enorme stofstorm.

Hoe ‘normaal’ is ons weer op aarde? We hebben regen en sneeuw van water, een aangename gemiddelde temperatuur van rond de 15°C en in Nederland een gemiddelde windsnelheid van nog geen 20 kilometer per uur? Is dat een uitzondering?

Om die vraag te beantwoorden, doen wetenschappers berekeningen en metingen aan planeten buiten ons zonnestelsel, zogenoemde exoplaneten. Yamila Miguel, exoplaneetonderzoeker bij Netherlands Institute for Space Research (SRON) in Leiden: „Maar hoe verder we kijken, hoe raarder weer we zien.”

Bij SRON hangen meters grote modelsatellieten aan het plafond. Het aluminiumfolie erop weerkaatst de binnenvallende ochtendzon. Michiel Min, collega van Miguel, stapt zijn kantoor binnen. Op zijn bureau staat een model van Jupiter, ter grootte van een voetbal. „De natuurkunde achter weer werkt op iedere planeet hetzelfde. Er moet variëteit zijn, een verschil in temperatuur, waardoor de lucht gaat circuleren. Daardoor kunnen regencycli ontstaan. Als het lokaal opwarmt, beginnen vaste of vloeibare stoffen te verdampen en ontstaan er wolken. Hier op aarde is dat water. Wanneer de wolk weer afkoelt, condenseert die damp en ontstaan er vloeibare druppels. Als ze zwaar genoeg zijn, regenen die weer naar beneden. Zo ontstaat er een weercyclus. Maar of dat dan van water is, of iets anders, hangt af van de druk en temperatuur op de planeet. Ieder materiaal heeft zijn eigen temperaturen waarbij het verdampt en condenseert. Dat is het basisidee.”

We snappen nog niet waarom sommige tornado’s klein blijven terwijl andere uitgroeien tot enorme stofstormen

Daphne Stam planeetonderzoeker

Hoewel wetenschappers de natuurkunde van weer begrijpen, zijn er toch raadselachtige weersfenomenen op onze buurplaneten. Wetenschappers hebben wel een redelijk beeld van het weer op Mars, dankzij onbemande ruimtesondes. De rode planeet heeft dunne wolken van waterijs, maar geen waterregen. Er zijn, net als op aarde, vier seizoenen. In de winter hangen er wolken van bevroren koolstofdioxide in de lucht. „De atmosfeer van Mars bestaat grotendeels uit CO2 en in de winter koelt het zo sterk af, dat CO2-gas bevriest”, zegt planeetonderzoeker Daphne Stam van de TU Delft via de telefoon. „Bevroren CO2 valt dan als droge sneeuw op het oppervlak.” In de lente ontstaan er door opwarming stoftornado’s. „We snappen nog niet waarom sommige tornado’s klein blijven terwijl andere uitgroeien tot enorme stofstormen die de hele planeet weken kunnen omhullen. Die grote zijn zelfs zichtbaar met telescopen vanaf aarde. Mars ziet er dan uit als een egaal rozerood bolletje zonder de gebruikelijke donkere oppervlaktevlekken.”

Een ander groot raadsel: hoe kan het dat Venus zulk hels weer heeft? Aarde en Venus zijn ongeveer vier en een half miljard jaar geleden dicht bij elkaar geboren in dezelfde gas- en stofschijf die om de jonge zon draaide, waardoor ze uit bijna hetzelfde materiaal bestaan. Ook zijn ze bijna even groot. „Hoewel Venus dichter bij de zon staat en dus meer licht ontvangt, dachten wetenschapperss lang dat het weer op aarde en Venus op elkaar zouden lijken. Maar dat is dus niet zo.” Venus heeft een dikke CO2 atmosfeer met een extreem broeikaseffect en wolken die voor 75 procent uit giftig zwavelzuur bestaan. De wolkendeken houdt de warmte vast, waardoor het overal bijna 500 graden Celsius is. „Het Venus-oppervlak is zelfs heter dan dat van Mercurius, die het dichtste bij de zon staat. Ook waaien de wolken supersnel om Venus heen, wat geen weermodel nog heeft kunnen verklaren.”

Ruimtetelescoop Hubble

In Leiden bij SRON pakt Min pen en papier om uit te leggen hoe wetenschappers het weer op exoplaneten onderzoeken. „Nu gebruiken we modelberekeningen en, als het signaal sterk genoeg is, waarnemingen van ruimtetelescoop Hubble.” Hij tekent een grote cirkel met daarvoor een kleinere cirkel. „Kijk, dit grote rondje is een ster en daaromheen draait een exoplaneet. Wanneer de planeet – gezien vanuit de aarde – voor zijn moederster langstrekt, sijpelt er een beetje sterlicht door de atmosfeer van de exoplaneet naar de aarde. Dat licht kunnen we met Hubble opvangen.” Maar als de planeet recht voor de ster staat, kijken astronomen altijd tegen de nachtkant aan, de kant van die van de ster af staat. Om het weer af te lezen, kijken ze naar het verschil in de atmosfeer tussen de ochtend- en avondkant van de exoplaneet. „Wanneer de planeet, vanuit ons gezien, net voor zijn ster langs begint te bewegen, kijken we naar de atmosfeer aan de ochtendkant ervan. Als hij rechts bijna weer verdwijnt, naar de avondkant.”

„Kijk.” Min opent zijn laptop. Op zijn scherm staan een aantal gekleurde lijnen met pieken en dalen. Daarboven staat ‘HD 189733b’. Dat is een gigantische gasachtige exoplaneet op 63 lichtjaar afstand van de aarde. „Dit zijn onze modelsimulaties in het verschil tussen een lichtsignaal van de atmosfeer van de avond- en de ochtendkant.” Voor deze planeet hebben onderzoekers nog geen waarnemingen waarop ze het verschil in ochtendkant en avondkant kunnen zien. De pas gelanceerde ruimtetelescoop James Webb moet die opnames later dit jaar gaan maken. „Tot die tijd hebben we voor deze planeet dus alleen modelstudies van hoe we verwachten dat die waarnemingen eruit gaan zien.”

Of het er glas of kristal regent, weten we pas over een paar maanden

Michiel Min astronoom

Op de grafieken is te zien dat iets in de avondkant het sterlicht blokkeert. Dat zijn wolken. Aan de ochtendkant zijn die wolken verdwenen. Dat wijst erop dat de wolken condenseren en uitregenen in de nacht.”

Om erachter te komen wát er regent, bouwde Min met zijn collega’s een ander model, een wolkvormingsmodel. Dat model is vergelijkbaar met de modellen die meteorologen voor de aarde gebruiken, maar dan minder gedetailleerd. „We kennen de chemische samenstelling van de planeet en de omstandigheden.” Aan de dagkant van de planeet wordt het zo’n 930°C. Hij staat slechts vijf miljoen kilometer verwijderd van zijn moederster. Dat is twintig keer zo dicht bij als de aarde van de zon staat. Bovendien is altijd dezelfde kant naar de zon gericht. Hierdoor is het op een helft altijd dag, waar het nóóit afkoelt. En de nachtkant warmt nooit op, daar is het zo’n 260°C koeler dan aan de dagkant. „Met het model berekenen we hoe die chemische elementen zich gedragen onder dit temperatuurverschil.”

Regen van glas of kristal

En wat blijkt? Het regent vermoedelijk glas of kristal. „Aan de dagkant is het warm genoeg voor silicaatdeeltjes op de planeet om te verdampen en wolken te vormen. Aan de nachtkant is het koud genoeg voor de deeltjes om uit te regenen. Condenserende silicaatdeeltjes kunnen glas of kristal vormen, afhankelijk van hoe snel dat condenseren gaat.”

De bevindingen van de modelstudie komen overeen met eerdere waarnemingen. Ruimtetelescoop Hubble zag in 2013 al dat de planeet een azuurblauwe kleur heeft. Glasdeeltjes weerkaatsen blauw licht en zouden de planeet zijn kleur kunnen geven. Min: „Of het er glas of kristal regent, weten we pas over een paar maanden zeker met de waarnemingen van James Webb.”

Uit de berekeningen van Min en zijn collega’s volgt dat de kristal- of glasdeeltjes uitregenen wanneer ze één tot vijf millimeter groot zijn. „De grootte hangt ervan af hoe zwaar de druppels moeten zijn om uit te vallen en dat hangt er weer van af hoe bewegelijk de atmosfeer is. Hoe meer beweging, hoe langer ze blijven hangen.”

Hete exoplaneten zijn veel makkelijker te vinden

Yamila Miguel astronoom

En er is meer aan de hand. Door het grote temperatuurverschil tussen de dag- en nachtkant waait het op HD 189733b zo’n 7.000 tot 8.000 km/u. Ter vergelijking, de hardste wind op aarde ooit gemeten was 408 km/u . Door de harde wind vallen de druppels vermoedelijk niet recht naar beneden, maar bijna horizontaal. Diezelfde winden stuwen de silicaatwolken van de dagkant naar de nachtkant.

En wat regent het op een planeet die nóg heter is? In 2016 ontdekte Don Pollacco van Warwick University met zijn team exoplaneet WASP-76b. Deze gasreus is bijna twee keer zo groot als Jupiter en cirkelt zo’n 640 lichtjaar hier vandaan om zijn moederster. Ook deze planeet heeft altijd dezelfde kant naar de ster gericht. Dat en de korte afstand tot zijn moederster zorgen ervoor dat het er ziedend heet is: zo’n 2.400°C aan de dagkant. In 2020 zag David Ehrenreich van de Universiteit van Genève met de Europese Very Large Telescope in Chili wolken van ijzerdamp aan de avondkant van de planeet. Die wolken waren weer verdwenen aan de ochtendkant. Exoplaneetonderzoeker Ignas Snellen van de Universiteit Leiden zegt telefonisch: „De meest logische verklaring is dat ijzerdamp aan de nachtkant, waar het zo’n 1.000°C koeler is, condenseert en uitregent. Dat moeten echt helse ijzerhoosbuien zijn. De wind raast hier vermoedelijk met 18.000 kilometer per uur.”

Vertekend beeld

Tot nu toe hebben astronomen geen enkele andere planeet gevonden met weer zoals op aarde, maar dat heeft een reden. Op het bureau van Mins collega Yamila Miguel staat een tissue box met sterrenprint en in haar kast staat een Lego-set van Women in Science. „We krijgen een vertekend beeld door de huidige technologie waarmee we naar exoplaneten zoeken. Daarmee vinden we geen koude exoplaneten zoals aarde, maar alleen hete, helse planeten zoals Venus en extremer.” Dat zit zo: „Het rondje van planeten die dichter om hun zon cirkelen, en dus heet zijn, is korter en beweegt dus vaker voor zijn moederster langs dan een planeet die ver van zijn moederster staat. Hete exoplaneten zijn dus veel makkelijker te vinden.”

Wél is er dichter bij huis een koude plek met een hard oppervlak waarop mogelijk iets vloeibaars neerregent, zoals op aarde. Dat is Titan, de grootste maan van Saturnus. Stam vanuit Delft: „Het is de enig bekende maan met een échte, mistige atmosfeer: die is zelfs anderhalf maal dikker dan die van de aarde.” Titan heeft een temperatuur van 197 graden onder nul en de lucht is gevuld met dichte, oranjekleurige nevels en wolken van methaan en ethaan. Sinds 2004, toen ruimtemissie Cassini met radarapparatuur door de nevels heen kon kijken, is bekend dat bij Titans noordpool meren van vloeibaar methaan en ethaan liggen. „Door de lage temperaturen op Titan is het aanwezige water harder dan rotsen, maar stoffen als methaan en ethaan zijn onder die temperatuur wel vloeibaar, kunnen verdampen, condenseren tot cumuluswolken en weer neerslaan. Maar het is nog niet zeker of dat condenseren gebeurt zoals condens of in de vorm van regendruppels.”

Maar regent het ergens water? Miguel: „Water is niet uniek. Er zijn minstens vijftien exoplaneten gevonden met waterdamp in de atmosfeer Min: „En puur op basis van kansbereking zou je verwachten dat ergens in het heelal de omstandigheden wel zo moeten zijn dat de temperaturen het water kunnen laten condenseren en weer verdampen, waardoor het een regencyclus van water krijgt. Naar schatting bevat alleen de Melkweg al honderden miljarden sterren. En iedere ster heeft minstens één planeet.” Snellen: „De aarde is voorlopig de enige planeet die we kennen met leefbaar weer.”