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Astronomie+Physik

Merkur macht sein Eis selbst

Merkur
Merkur-Nordpol mit gelb markierten Wassereis-Vorkommen. (Bild: NASA/ MESSENGER)

Es scheint geradezu paradox: Ausgerechnet auf dem von der nahen Sonne aufgeheizten Planeten Merkur gibt es Wassereis. Dieses Eis hält sich im tiefen Dauerschatten einiger polarer Krater. Bisher galten vor allem Meteoriteneinschläge als mögliche Lieferanten dieser Eisvorkommen, doch nun haben Forscher eine andere Erklärung gefunden. Demnach könnte der Sonnenwind, kombiniert mit der Hitze der Merkur-Tagseite, chemische Reaktionen im Regolith auslösen, die zur Bildung von Wassermolekülen führen. Diese Wassermoleküle könnten dann als Wasserdampf um den Planeten driften und sich in den kalten Kratern der Pole als Eis niederschlagen.

Der Merkur ist ein Planet der Extreme: Während auf seiner Tagseite eine Hitze von mehr als 400 Grad Celsius herrscht, sinken die Temperaturen auf seiner Nachtseite auf eisige minus 180 Grad. Weil eine ausgleichende Atmosphäre fehlt, wechseln die Bedingungen je nach Strahlungseinfall drastisch – ähnlich wie auf dem Mond. Und ähnlich wie auf unserem Trabanten galt die Existenz von Wasser oder Wassereis auf dem Merkur lange Zeit als unmöglich. Doch bereits 1991 entdeckten Forscher bei radargestützten Beobachtungen der Merkuroberfläche einige stark reflektierende Bereiche in der Nähe der Pole – Signaturen, die auf Wassereisvorkommen hindeuten könnten. Im Jahr 2012 lieferte die NASA-Raumsonde Messenger die Bestätigung: In einigen Kratern der Polarregion des Planeten gibt es Wassereis, das teilweise von einer dünnen Staubschicht überdeckt ist. Dieses Eisvorkommen finden sich an Stellen, die nie von der Sonne beschienen werden und in denen die Temperaturen daher ständig weit unter Null liegen.

Wurde das Merkur-Eis doch vor Ort gebildet?

Diese Entdeckung weckt allerdings die Frage, wie dieses Wassereis auf dem Merkur entstanden ist. „Allgemein ist akzeptiert, dass Wasser und andere flüchtige organische Materialien durch Meteoriteneinschläge auf Mond oder Merkur gelangt sind“, erklären Brant Jones vom Georgia Institute of Technology in Atlanta und seine Kollegen. Doch wie sie nun herausgefunden haben, könnte das Wassereis des Merkur zumindest zum Teil auch vor Ort gebildet worden sein. „Der dieser Idee zugrundeliegende chemische Mechanismus ist seit den 1960er Jahren schon Dutzende Male in Studien beobachtet worden“, sagt Jones. Allerdings liefen diese Reaktionen nur im Labor und auf speziellen Oberflächen ab. Es handelt sich um eine chemische Reaktion, die auch als rekombinative Resorption (RD) bezeichnet wird. Voraussetzung dafür ist das Vorhandensein von Hydroxylgruppen (-OH), die chemisch an die metallischen Komponenten von Mineralen gebunden sind. Solche Hydroxylgruppen wurden schon im Mond-Regolith, aber auch auf dem Merkur nachgewiesen.

Wird nun diesen Verbindungen genügend Energie zugeführt, kann es zwischen benachbarten Hydroxylgruppen zu einer Umlagerung kommen, in deren Verlauf Metalloxide und H2O-Moleküle entstehen. Rein theoretisch könnte demnach auf diese Weise Wasser und damit auch Wassereis entstehen. Es gibt jedoch einen Haken: „Typischerweise sind die Aktivierungsenergien für die Bildung von H2O durch die rekombinative Resorption hoch“, berichten Jones und seine Kollegen. „Diese Energiebarriere verringert die Bedeutung dieser Reaktion auf dem Mond.“ Denn dort reicht die Energiezufuhr durch die Sonneneinstrahlung meist nicht aus, um diese Reaktion in Gang zu setzen.

Wie Hitze und Sonnenwind Wasser produzieren

Anders ist dies jedoch auf dem Merkur, wie nun Jones und sein Team berichten. Denn zum einen wird die Oberfläche des Planeten von einem intensiven Sonnenwind getroffen. Durch diesen prasseln viele energiereiche Protonen auf den Merkurregolith ein, die die Anlagerung von Hydroxylgruppen an die Minerale begünstigen. Zum anderen erreichen die Temperaturen auf der Tagseite des Planeten Temperaturen von mehr als 400 Grad Celsius – und dies reicht aus, um die Energiebarriere für die rekombinative Resorption zu überwinden, wie die Forscher mithilfe einer Simulation ermittelten. „Unserem Modell zufolge können rund drei mal zehn hoch 30 Wassermoleküle pro Merkurtag durch die rekombinative Resorption erzeugt werden“, so Jones und seine Kollegen. Diese H2O-Moleküle entstehen auf der Tagseite des Planeten. Während viele von ihnen durch die Strahlung wieder zerfallen, gelangen einige von ihnen in die kalten Schattenzonen der Merkurpole, wo sie ausfrieren und sich in den Kratern ablagern.

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Nach den Berechnungen der Forscher könnte dieser Mechanismus in den letzten rund drei Millionen Jahren rund elf Billionen Tonnen Wassereis auf dem Merkur deponiert haben. „Damit könnte dieser Prozess leicht für bis zu zehn Prozent des gesamten Eises auf dem Merkur verantwortlich sein“, sagt Jones Kollege Thomas Orlando. Die Wissenschaftler vermuten zudem, dass auch auf anderen Himmelskörpern im Sonnensystem molekulares Wasser durch diese chemische Reaktion entstanden sein könnte und noch entsteht.

Quelle: Brant Jones (Georgia Institute of Technology, Atlanta) et al., Astrophysical Journal Letters, doi: 10.3847/2041-8213/ab6bda

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