Eines der Instrumente der Raumsonde Cassini hat in der Atmosphäre des Saturnmondes Titan Propen-Moleküle entdeckt. Es handelt sich hierbei um den ersten gesicherten Nachweis von Propen auf einem Mond oder einem Planeten unseres Sonnensystems außerhalb der Erde.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Mit einem Durchmesser von 5.150 Kilometern handelt es sich bei dem im Jahr 1655 durch den niederländischen Astronomen Christiaan Huygens entdeckten Mond Titan um den größten der 62 bisher bekannten Monde des Planeten Saturn und – nach dem Jupitermond Ganymed – zugleich um den zweitgrößten Mond innerhalb unseres Sonnensystems. Der Titan ist als einziger Mond im Sonnensystem von einer dichten Atmosphäre umgeben. Diese Gashülle besteht hauptsächlich aus Stickstoff, welcher dort mit einem Anteil von rund 98 Prozent vertreten ist. Neben dem Edelgas Argon sind zudem Spuren von Methan, Ethan und weitere komplexe Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten.
Nahe der Oberfläche fällt diese Atmosphäre etwa fünfmal dichter aus als auf unserem Heimatplaneten und erreicht dort einen Atmosphärendruck von 1,5 bar, was einen etwa 50 Prozent höheren Wert als auf der Erde darstellt. Die Lufthülle, deren gesamte Masse etwa 1,19 mal größer ausfällt als die Gesamtmasse der Erdatmosphäre, erreicht eine Höhe von mehreren hundert Kilometern und ist mit Wolken und Dunstschleiern durchsetzt.
Der Großteil der Daten, welche den Planetologen gegenwärtig über den Titan zur Verfügung stehen, wurden während der letzten 9,5 Jahre durch die Raumsonde Cassini gewonnen, welche sich bereits seit dem 1. Juli 2004 in einer Umlaufbahn um den Saturn befindet und dabei auch den Titan mittlerweile 95 mal im Rahmen von dichten Vorbeiflügen passiert hat. Neben der Untersuchung des Saturn und dessen Ringsystems stellt der Titan einen der Forschungsschwerpunkte dieser erfolgreichen Weltraummission dar. Ein besonderes Augenmerk richten die beteiligten Wissenschaftler dabei auf die Atmosphäre dieses Mondes, dessen Zusammensetzung vermutlich eine gewisse Ähnlichkeit mit der frühen Atmosphäre unseres Heimatplaneten aufweist.
Propen in der Titan-Atmosphäre
Jetzt ist es den an der Cassini-Mission beteiligten Wissenschaftlern gelungen, in den unteren Schichten der Titanatmosphäre Propen nachzuweisen. Dieses farblose Gas, welches auf der Erde unter anderem als Kältemittel und als Grundstoff der chemischen Industrie zur Herstellung von verschiedenen Kunststoffen eingesetzt wird, konnte dabei zum ersten Mal außerhalb der Erde nachgewiesen werden.
“Diese Chemikalie findet sich überall in unserem täglichen Leben und zwar in Form von Polypropylen“, so Conor A. Nixon vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt/USA, einer der an der Cassini-Mission beteiligten Planetenforscher und Erstautor einer kürzlich veröffentlichten Studie bezüglich des Propen-Nachweises in der Stratosphäre des Titan.
Die Entdeckung gelang im Rahmen einer Spektralanalyse der Infrarotstrahlung der unteren Titanatmosphäre durch das Composite Infrared Spectrometer (CIRS), einem der 12 wissenschaftlichen Instrumenten an Bord von Cassini. Mit diesem Spektrometer können die Wissenschaftler verschiedene Gase in der unteren Atmosphäre des Titan anhand ihrer spezifischen thermischen Fingerabdrücke identifizieren. Die spezielle Herausforderung hierbei besteht darin, die Signaturen eines bestimmten Gases von den Signaturen der anderen Bestandteile der Atmosphäre zu trennen.
Eine Lücke wird geschlossen
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute)
Der jetzt erfolgte Nachweis von Propen schließt eine bisher bestehende Lücke in der chemischen Zusammensetzung der Titanatmosphäre, welche sich in den letzten mehr als 30 Jahren bei deren Untersuchung ergeben hatte. Bei ihrem Vorbeiflug am Saturn im Jahr 1980 gelang es der Raumsonde Voyager 1 neben vielen weiteren Entdeckungen eine Vielzahl unterschiedlicher Bestandteile der Titanatmosphäre zu identifizieren. Darunter befanden sich auch diverse Kohlenwasserstoffverbindungen. Diese Verbindungen bilden sich offenbar dadurch, dass die in der Titanatmosphäre enthaltenen Methanmoleküle durch einfallendes Sonnenlicht aufgespalten werden. Die dabei freigesetzten Bestandteile – Methan besteht aus einem Kohlenstoff- und vier Wasserstoffatomen – schließen sich danach zu neuen Kohlenwasserstoffverbindungen zusammen, welche zwei, drei oder noch mehr Kohlenstoffatome enthalten können.
Von den Verbindungen, welche drei Kohlenstoffatome enthalten, wurden durch Voyager 1 mit Propan die schwerste dieser Verbindungen nachgewiesen und mit Propin zudem eine der leichtesten. Die mittleren Verbindungen, zu denen auch das Propen gehört, konnten dagegen nicht detektiert werden. Im Laufe der Jahre gelang zwar im Rahmen diverser erd- und weltraumgestützter Untersuchungen immer wieder der Nachweis von weiteren chemischen Verbindungen innerhalb der Titanatmosphäre – das Propen blieb dabei aber zunächst unentdeckt.
In den Messdaten eines weiteren Instrumentes von Cassini, dem Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS), fanden sich bereits früher Hinweise auf die Existenz von Propen in der oberen Atmosphäre von Titan. Diese Daten waren allerdings nicht sicher genug, um dessen Vorhandensein zu postulieren. Erst eine sorgfältige Analyse der Daten des CIRS-Spektrometers enthüllte jetzt dessen Existenz in der unteren Atmosphäre mit ausreichender Sicherheit.
“Diese Messungen waren sehr schwierig, da das schwache Propen-Signal von den deutlich stärkeren Signaturen verwandter Chemikalien überlagert wird”, so Michael Flasar vom Goddard Space Flight Center, der für das CIRS-Instrument hauptverantwortliche Wissenschaftler. “Dieser Erfolg bestärkt uns in unserer Zuversicht, dass wir noch weitere Chemikalien finden werden, die sich bereits seit langer Zeit in der Titanatmosphäre verbergen.”
“Ich bin immer wieder begeistert, wenn Wissenschaftler ein Molekül entdecken, das zuvor noch nie in einer Atmosphäre nachgewiesen wurde”, so Scott Edgington, der stellvertretende Projektwissenschaftler der Cassini-Mission am Jet Propulsion Laboratory (JPL). “Dieses neue Teil des Puzzles stellt für uns einen weiteren Test dafür dar, ob wir diesen chemischen Zoo, aus dem die Titanatmosphäre besteht, auch wirklich verstanden haben.” Die nächste Möglichkeit einer direkten Untersuchung der Titanatmosphäre bietet sich bereits am 14. Oktober 2013. An diesem Tag wird die Raumsonde Cassini den Titan erneut im Rahmen eines gesteuerten Vorbeifluges passieren und mit verschiedenen Instrumenten untersuchen (Raumfahrer.net berichtete).
Die hier kurz vorgestellten Resultate der Untersuchung der Titanatmosphäre wurden am 30. September 2013 unter dem Titel “Detcetion of Propene in Titan’s Stratosphere” in der Fachzeitschrift “The Astrophysical Journal” publiziert.
Die Mission Cassini-Huygens ist ein Gemeinschaftsprojekt der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA, der europäischen Weltraumagentur ESA und der italienischen Weltraumagentur ASI. Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien, eine Abteilung des California Institute of Technology (Caltech), leitet die Mission im Auftrag des Direktorats für wissenschaftliche Missionen der NASA in Washington, DC. Nach dem derzeitigen Planungsstand soll Cassini den Saturn und seine Monde noch bis zum Jahr 2017 erkunden und am 15. September 2017 aufgrund des dann nahezu komplett aufgebrauchten Treibstoffvorrates kontrolliert in der Atmosphäre des Ringplaneten zum Absturz gebracht werden.
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Fachartikel von Conor A. Nixon et al.:
- Detection of Propene in Titan’s Stratosphere (Abstract, engl.)