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Astronomie+Physik

Wie Enceladus seine Streifen bekam

Enceladus
Blick auf die regelmäßigen Eisrisse am Südpol des Enceladus (links) in einer Aufnahme der Raumsonde Cassini. (Bild: NASA/ESA, JPL, SSI, Cassini Imaging Team)

Der Saturnmond Enceladus besitzt nicht nur einen Ozean unter seiner eisigen Kruste, er trägt auch äußerlich ein auffälliges und einzigartiges Merkmal: eine Reihe paralleler Eisrisse an seinem Südpol. Warum diese auch „Tigerstreifen“ genannten Risse so erstaunlich regelmäßig sind und wie sie entstanden sein könnten, haben nun Forscher mithilfe einer Modellsimulation untersucht. Demnach wurden diese Krustenrisse durch eine Art Kettenreaktion gebildet, bei der das Aufreißen des ersten Risses quasi automatisch auch die Entstehung der weiteren Risse bewirkte. Die Modelle zeigen aber auch, dass unter den Eismonden des Sonnensystems nur Enceladus die Bedingungen bietet, um solche „Tigerstreifen“ zu bilden.

Der Saturnmond Enceladus ist in gleich mehrerer Hinsicht spannend. Denn unter der eisigen Kruste verbirgt sich ein subglazialer Ozean, ein flüssiges Reservoir von alkalischem, salzreichem Wasser. Messdaten der Raumsonde Cassini deuten zudem daraufhin, dass es in diesem subglazialen Meer vielleicht sogar hydrothermale Schlote gibt, die das Wasser anwärmen und mit Mineralien aus dem Gesteinskern des Mondes anreichern. Damit könnte Enceladus ähnlich wie der Jupitermond Europa zu den Orten im Sonnensystem gehören, an denen es außerirdisches Leben geben könnte. Eine weitere Besonderheit – und eine Chance, mehr über den subglazialen Ozean auf Enceladus zu erfahren, sind die sogenannten Tigerstreifen am Südpol des Mondes: „Diese zuerst von der Cassini-Mission gesichteten Streifen sind anders als alles bisher aus dem Sonnensystem bekannte“, sagt Erstautor Douglas Hemingway von der Carnegie Institution for Science in Washington DC. „Sie sind parallel, 130 Kilometer lang und haben regelmäßige Abstände von rund 35 Kilometern.“ Aus diesen bis zum flüssigen Ozean hinabreichenden Rissen steigen immer wieder Wasserdampffontänen auf.

Der erste Riss

So ungewöhnlich die Tigerstreifen des Enceladus sind, so rätselhaft blieben sie bisher. „Bisher kann keine Studie erklären, warum diese Tigerstreifen nur am Südpol liegen, warum sie nahezu parallel sind, weshalb ihr Abstand ausgerechnet 35 Kilometer beträgt und warum kein anderer Eismond diese Risse besitzt“, sagen Hemingway und seine Kollegen. Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, haben sie nun verschiedene physikalische Modelle zu einer Simulation der Prozesse auf dem Saturnmond kombiniert. In dieser bildeten sie die Entwicklung des Enceladus und seine allmähliche Abkühlung nach und analysierten, wie die Gezeitenkräfte des Saturn und die Merkmale der Eiskruste eine mögliche Rissbildung beeinflussen.

Gängiger Theorie nach führt die exzentrische Umlaufbahn des Eismondes um den Saturn dazu, dass dessen Schwerkraftwirkung auf Enceladus schwankt. Durch diese Gezeitenkräfte wird das Innere des rund 500 Kilometer großen Mondes abwechselnd gedehnt und gestaucht und dies erzeugt unter anderem die Wärme, die den subglazialen Ozean flüssig hält. Die aktuelle Simulation zeigt jedoch, dass diese Kräfte auch für die Bildung der Risse entscheidend sind: „Die Erwärmung durch die Gezeitenkräfte macht die Eiskruste an den Polen am dünnsten“, berichten Hemingway und seine Kollegen. „Dadurch werden auch tangentiale Spannungen an den Polen maximiert, so dass der erste Bruch des Eises an einem der Pole stattfinden musste.“ Den Modellen zufolge war es dabei reiner Zufall, dass das Südpoleis als erstes brach. Nachdem dies jedoch geschehen war, sank die Spannung in der Eiskruste des Mondes so stark ab, dass sich am gegenüberliegenden Pol kein weiterer Bruch mehr bilden konnte, wie die Forscher erklären.

Streifenbildung durch Kaskadeneffekt

Der erste Riss in der Eiskruste des Enceladus könnte nach Angaben der Forscher der „Bagdad Sulcus“ getaufte Eisriss gewesen sein. „Nachdem sich diese offene Spalte einmal gebildet hatte, stieg flüssiges Wasser auf und begann bei Kontakt mit dem Vakuum an der Oberfläche zu verdampfen“, erklären Hemingway und sein Team. Dieser Wasserdampf gefror jedoch sofort wieder und fiel dann beiderseits des Risses wieder zur Enceladus-Oberfläche zurück. Weil dadurch die Auflast der Eiskruste in diesen Bereichen stieg, bog sich die Eiskruste durch und stand unter Spannung, wie aus den Simulationen hervorgeht. In rund 35 Kilometern Entfernung von der ersten Spalte kam es dann zu einer Folgereaktion: Die Spannungen überschritten einen Schwellenwert und das Eis riss dann auch dort auf. „Als auf diese Weise ein durchgehender Bruch entstand, entwickelte er sich wie die erste Spalte weiter und setzte diese Kaskade der Rissbildung in symmetrischen Paaren nach außen hin fort“, erklären die Forscher. Ein Ende fand diese Kettenreaktion erst dort, wo die Eiskruste mit zunehmender Entfernung vom Südpol zu dick für durchgehende Risse und Wasserdampffontänen wurde.

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„Damit erklärt unser Modell die regelmäßigen Abstände der Eisspalten auf Enceladus“, sagt Co-Autor Maxwell Rudolph von der University of California in Davis. Gleichzeitig enthüllt es auch, warum diese Tigerstreifen nur auf dem Saturnmond in dieser Form entstehen konnten. Demnach ist nur auf dem eher kleinen Enceladus die Schwerkraft gering genug, um diese „Kettenreaktion“ der Rissbildung aufrechtzuerhalten. Denn auf größeren Himmelskörpern würde die Gravitation das Eis stärker komprimieren und so stabiler gegenüber einem solchen sich fortsetzenden Aufreißen machen, wie die Wissenschaftler erklären. „Unsere Modellierung der physikalischen Vorgänge in der Eiskruste von Enceladus demonstrieren eine potenziell einzigartige Abfolge der Ereignisse und Prozesse, die diese auffallenden Streifen erschuf“, sagt Hemingway.

Quelle: Douglas Hemingway (Carnegie Institution for Science, Washington DC) et al., Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-019-0958-x

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