Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA/JPL.

Gleich zwei neue Studien in der Mai-Ausgabe von „Nature“ über den zweitfaszinierendsten Saturnmond befassen sich mit den „Tigerstreifen“, um die 120 Kilometer langen Eisspalten in Enceladus´ Südpolregion, und den von ihnen ausgehenden Geysiren. Der Mond selbst hat einen Durchmesser von nur ungefähr 500 Kilometern.
Gravitations-Gezeiten öffnen und schließen Eisspalten

Ein Team vom Goddard-Raumfahrtzentrum der NASA in Greenbelt unter der Leitung von Dr. Terry Hurford untersuchte den Einfluss der Saturn-Gravitation auf die Tigerstreifen. Jeder Umlauf von Enceladus um Saturn dauert 1,3 Erd-Tage – also wesentlich kürzer als ein Umlauf des Erdmonds um die Erde. Zu jedem Zeitpunkt während dieses Umlaufs erfährt Enceladus eine Gravitationstide. Damit gemeint ist eine Verformung des Mondes aufgrund der Tatsache, dass er ja nicht punktförmig ist, sondern eine räumliche Ausdehnung besitzt, und seine saturnnahen Partien somit stärker angezogen werden als die saturnfernen. Da Enceladus einen exzentrischen Orbit um Saturn beschreibt, wirkt die Schwerkraft höher und fällt die Gravitationstide stärker aus, wenn Enceladus dem Saturn nahe ist, und umgekehrt. Obwohl Enceladus gebunden um Saturn rotiert, ihm also immer die selbe Seite zuwendet, ändert sich zudem Saturns Position in Enceladus´ Himmel leicht, so dass sich auch die Position der Tide mit jedem Umlauf auf einer östlich-westlichen Achse hin und her bewegt. Diese zwei Effekte führen in Kombination zu wechselnden Spannungen in Enceladus´ eisiger Oberfläche.

Das Team entwickelte ein Computermodell, um zu berechnen, wie sich diese Spannungen auf die Tigerstreifen auswirken. „Wir haben herausgefunden, dass sich die meisten Tigerstreifen aufgrund ihrer Lage und Orientierung dann am weitesten öffnen, wenn sich Enceladus am weitesten von Saturn entfernt. Umgekehrt schließen sich die meisten Streifen dann am weitesten, wenn der Mond in maximale Nähe zu Saturn kommt“, sagte Hurford. „Verschiedene Streifen öffnen sich zu verschiedenen Zeiten während eines Umlaufs. Unter der Annahme, dass die Eruptionen dann stattfinden, wenn die Streifen weit offen stehen, können wir vorhersagen, welche Streifen wann eruptieren. Da sich die meisten Streifen im weitesten Abstand von Saturn auch maximal öffnen, erwarten wir die maximale Eruptionsaktivität natürlich zu diesem Zeitpunkt.“

Es war allerdings schwierig, das Modell aufgrund der vorliegenden Daten zu testen, wiederum wegen der Lage der Tigerstreifen. Cassini sah die Eruptionen am Horizont von Enceladus, also mehr oder weniger im 90-Grad-Winkel, im Gegenlicht der Sonne. Aus dieser Perspektive war kaum festzustellen, welche Eruption von welchem Tigerstreifen kam. Künftige Überflüge von Cassini aus günstigerer Perspektive könnten es erlauben, Eruptionen aus verschiedenen Streifen voneinander zu unterscheiden.

Reibungswärme erzeugt Dampffahnen
Die zweite Studie in „Nature“ befasste sich mit den aus den „Tigerstreifen“ austretenden Geysiren. Die Bewegungen der Bruchlinien lassen die Ränder der Spalten gegeneinander reiben. Dabei wird genug Wärme frei, um etwas Eis in Fahnen aus Wasserdampf und Eiskristallen zu verwandeln, behaupten die Autoren der Studie.

Francis Nimmo, Dozent an der Universität von Kalifornien, und seine Co-Autoren berechneten die fragliche Wärmemenge und kamen zu dem Schluss, dass dies die wahrscheinlichste Erklärung für die Dampffahnen und andere Erscheinungen ist, die in der Südpolregion von Enceladus beobachtet wurden. Diese Region ist auch wärmer als die restliche Oberfläche, wie Cassini bereits vor einiger Zeit mit einem Instrument messen konnte.

„Wir nehmen an, dass die Tigerstreifen die Quelle der Fahnen sind, und versuchen vorauszusagen, wo die Tigerstreifen am wärmsten sind. Diese Voraussagen können bei zukünftigen Gelegenheiten getestet werden“, sagte Nimmo.

Angetrieben wird der gesamte Prozess, wie erwähnt, von dem exzentrischen Orbit des Mondes um Saturn, der ihn mal in die Nähe des Riesenplaneten bringt und dann wieder weiter weg, so dass die Schwerkraft periodisch schwankt. „In seinem Orbit um Saturn wird der Mond immer abwechselnd gestaucht und gestreckt, und diese Gezeitenkräfte verursachen wiederum ständige Reibung in den Spalten“, erklärte Nimmo.

Co-Autor Robert Pappalardo vom JPL der NASA weist darauf hin, dass dieser Mechanismus im Gegensatz zu anderen Thesen über die Dampffahnen kein flüssiges Wasser direkt unter der Oberfläche voraussetzt. „Die Wärme genügt, um das Eis sublimieren zu lassen, wie in einem Kometen – das Eis geht sofort in Dampf über, und dieser ins All austretende Dampf reißt Eispartikel mit sich“, sagte er.

Dennoch geht auch diese Studie davon aus, dass Enceladus über einen flüssigen Ozean unterhalb der Eiskruste verfügt. Denn dies erlaubt der Eiskruste überhaupt erst, sich genug zu verformen, um die nötige Bewegung in den Spalten zu erzeugen. Wenn das Eis bis auf das felsige Innere des Mondes gefroren wäre, würden die Gezeitenkräfte nicht genug Bewegung erzeugen, um Wärme freizusetzen, betonte Nimmo.

Dieser Reibungs- oder auch Scherungswärme-Mechanismus ist konsistent mit einer früheren Studie von Nimmo und Pappalardo, die vorschlug, dass sich vor einiger Zeit Enceladus´ Rotationsachse geändert hat mit dem Ergebnis, dass sein „heißer Fleck“ am Südpol zu liegen kam. In dieser Studie (Raumfahrer.net berichtete) begründeten die Forscher die Reorientierung von Enceladus mit der geringeren Dichte des Krusteneises in dieser wärmeren Region.
In ihrer neuen Studie schätzen sie die Dicke des Eises auf mindestens 5 Kilometer, wahrscheinlich aber eher mehrere Dutzend Kilometer. Die Hin-und-Her-Bewegung der Bruchlinien während einer Gezeitenperiode (also während eines Saturnumlaufs von Enceladus) schätzen sie auf einen halben Meter.

Der Beitrag Saturns Gravitation verursacht Enceladus´ Geysire erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Julian Schlund. Quelle: UCAR. Vertont von Julian Schlund.

„Wir sehen, wie sich der Klimawandel sowohl in der unteren als auch in der oberen Atmosphäre vollzieht“, zitiert das National Center for Atmospheric Research der USA den hauseigenen Wissenschaftler Stan Solomon, der sich kürzlich als Co-Autor an einer neuen Studie beteiligt hat, an der Forscher verschiedenster Institute teilnahmen.

Als Ursache nennt Solomon den weitreichenden Einfluss der Treibhausgase auf die Natur.

Auch die Thermosphäre als oberste Schicht unserer Atmosphäre ist von konkreten Folgen der dort unnatürlich hohen Kohlendioxidkonzentration scheinbar nicht ausgeschlossen. Dies geht aus den vorhin angesprochenen, neuesten Studien von Wissenschaftlern hervor, die anhand der Beobachtung von Satillitenumlaufbahnen Rückschlüsse auf etwaige Veränderungen in der Thermosphäre ziehen konnten. Das Ergebnis: die Dichte der Thermosphäre, die rund 95 Kilometer über der Erdoberfläche beginnt und bis knapp 650 Kilometer hinaufreicht, ist am Abnehmen. Daraufhin erstellte Hochrechnungen besagen eine ungefähre Verringerung der Thermosphärendichte um drei Prozent bis zum Jahr 2017.

Warum das Abkühlen der Thermosphäre ein Zeichen globaler Erwärmung ist
Kohlendioxid kühlt die Thermosphäre ab, wenngleich es auf die Troposphäre, also die oberflächennahe Atmosphärenschicht, bekanntermaßen einen erwärmenden Effekt besitzt. Dieses Paradoxon lässt sich ganz einfach durch die abnehmende Dichte der Atmosphäre mit steigender Höhenlage erklären: nahe der Erdoberfläche absorbiert Kohlendioxid die der Erde entweichende Wärmestrahlung. Bevor die CO₂-Moleküle nun aber die höheren Atmosphärenschichten erreichen, wo sie die aufgenommene Energie wieder in den Weltraum abgeben können, kollidieren sie noch in der unteren Atmosphäre mit anderen Molekülen, die sie zur Wiederfreigabe der gespeicherten Energie in Form von Wärmestrahlung zwingen. Die Folge ist einleuchtend: Erwärmung.

In der Thermosphäre, die eine wesentlich geringere Dichte aufweist als die unteren Atmosphärenschichten, kehrt sich der Prozess um: das CO₂-Molekül absorbiert auch hier Energie, etwa, wenn es mit einem Sauerstoff-Molekül zusammenstößt. Nun hat es wegen der – wie gesagt – sehr geringen Dichte in dieser Atmosphärenschicht allerdings genügend Zeit, seine Energie ins All abzustrahlen, bevor eine erneute Kollision stattfindet. Die Folge ist ein abkühlender Effekt, gleichzeitig mit einem leichten Absinken der Thermosphäre nach unten.
Zyklische Sonnenaktivität
Einfluss auf die Thermosphäre hat auch der sogenannte 11-Jahres-Zyklus, der bezüglich der Sonnenaktivität festzustellen ist. Während der aktiven Phase dieses Zyklus‘ treffen UV-Strahlung und geladene Partikel verstärkt auf unseren Planeten, was eine Erwärmung und Ausdehnung der Thermosphäre zur Folge hat. Umgekehrt kühlt sich die Thermosphäre ab, wenn die Sonnenaktivität abnimmt. Dieser Vorgang hat eine so große Auswirkung auf die Thermosphäre, dass der Rückgang letzterer bei einem Aktivitätsminimum vier Mal so groß wäre als im Falle eines Aktivitätsmaximums der Sonne.

Einfluss auf Satelliten
Viele Satelliten, aber auch die ISS und das Hubble Space Telescope, befinden sich in einer sehr erdnahen Umlaufbahn in einer Höhe von lediglich drei- bis fünfhundert Kilometern. Im Laufe der Zeit werden die Satelliten mehr und mehr durch die obere Atmosphäre gebremst und verlieren dabei an Höhe. Ausschlaggebend für die Größe dieses Einflusses sind wiederum jene thermosphärischen Dichteschwankungen, wegen der sich die Satellitenplaner nach besseren Vorhersagemöglichkeiten letzterer sehnen.
Genau hier knüpfte nun die nächste Aufgabe für das US-Forscherteam an: ihr „NCAR“-Modell in die Kalkulationen für den nächsten solaren Zyklus bestmöglich einzubetten, um die Prognosen über thermosphärische Veränderungen zu perfektionieren, die für die Raumfahrtindustrie von so entscheidender Bedeutung sind.

Nach erfolgreichem Verknüpfen der beiden Faktoren zu einer Gesamtrelation kam man schließlich auf einen Rückgang in der thermosphärischen Dichte um circa drei Prozent als Hochrechnung bis zum Jahr 2017. Kurz: die oberste Atmosphäre wird sich in den nächsten zehn Jahren um drei Prozent „verdünnen“.

Weiterführende Informationen:

• Globale Erwärmung

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